面試官必問：Java中的JUC工具類詳細揭秘
JUC - 輔助類
JUC（java.util.concurrent）是在Java 5中引入的一個并發編程的擴展庫，目的是為了更加方便、快捷和安全地實現并發編程。它提供了一系列的工具類、鎖、隊列以及原子類等來協調多線程之間的操作。
基于現代硬件不斷地發展，為了充分利用服務器資源，并發編程在我們的開發中已經無處不在，今天主要了解下JUC包中提供的幾個工具類，讓我們在并發編程時提供助力。
簡介
Java并發編程是一門復雜的技術，其中有一些難點需要特別注意。以下是一些Java并發編程的難點：
- 線程安全：多線程執行的代碼必須是線程安全的，否則會產生競態條件和其他問題。
- 死鎖：當多個線程因為互相等待其他線程釋放鎖而無法繼續執行時，就會產生死鎖。
- 競態條件：當多個線程試圖同時訪問同一個共享資源時，就會產生競態條件。
- 內存可見性：多個線程同時訪問同一個變量時，可能會產生內存可見性問題，即一個線程對變量的修改不會立即被其他線程所感知。
- 并發集合類：Java提供了一些并發集合類，如ConcurrentHashMap和ConcurrentLinkedQueue，但使用它們需要注意一些細節問題。
- 線程池：線程池是Java并發編程中的一個重要概念，但線程池的使用也需要注意一些問題，如線程池大小、任務隊列類型等。
- CAS操作：Java提供了CAS（Compare-And-Swap）操作，可以用于實現非阻塞算法，但使用CAS操作需要非常小心，以免產生ABA問題等。
工具類
- CountDownLatch
CountDownLatch是一個同步輔助類，使用一個給定數量的計數器，當該計數器不為0時，將程序阻塞在wait()處，當線程執行完成后通過調用countDown()使計數器減一, 直到計數器為0后才會繼續執行后續代碼。 主要實現某個任務依賴其他一個或多個異步任務的執行結果的場景
核心方法：
/**
* 定義計數器數量，用于定義多少個執行線程
*/
public CountDownLatch(int count);
/**
* 阻塞方法，直到計數器為0時才會繼續執行后續代碼
*/
public void await();
/**
* 每次調用改方法，則計數器減一
*/
public void countDown();- CyclicBarrier
CyclicBarrier內部同樣定義了計數器，只不過每當有線程執行完后改計數器加一，直至達到定義數量后，執行定義的回調函數與await()后續代碼。 與CountDownLatch相比，CyclicBarrier會對子任務阻塞，而CountDownLatch則阻塞主任務；另外CyclicBarrier可以重復使用。 主要實現某個回調函數在一個或多個線程執行完成后觸發的情形
核心方法：
/**
* 定義計數器數量與回調函數
*/
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);
/**
* 阻塞方法，當有線程執行到則計數器加一，等到達到目標數后才會繼續后續代碼
*/
public int await();
/**
* 通過該方法可以實現計數器的重置
*/
public void reset();- Semaphore
信號量通常用于限制可以訪問某些（物理或邏輯）資源的線程數。 適用于有限資源數量的控制
核心方法：
/**
* 定義許可數量
*/
public Semaphore(int permits);
/**
* 申請許可，改方法會阻塞程序
*/
public void acquire();
/**
* 釋放許可
*/
public void release();示例
CountDownLatch的使用場景
CountDownLatch是Java并發包中的一個工具類，它可以實現線程之間的協作。具體來說，CountDownLatch可以讓一個線程等待多個線程執行完畢，再繼續執行。CountDownLatch常用于以下場景：
- 主線程等待多個子線程執行完畢。
- 多個子線程等待某個共同任務的完成。
- 模擬并發請求，等待所有請求都響應完畢再進行下一步操作。
- 統計多個線程執行的時間。
@Test
public void test() throws InterruptedException {
int count = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(count);
IntStream.range(0,count).forEach(i->{
new Thread(()->{
System.out.println( "執行線程："+ i );
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
countDownLatch.countDown();
}).start();
});
countDownLatch.await();
System.out.println("線程執行完成");
}CyclicBarrier的使用場景
它允許多個線程在某個屏障處等待，直到所有線程都到達該屏障時才會繼續執行。
CyclicBarrier 適用于一組線程需要相互等待，直到所有線程都完成某個任務后才能繼續執行下一步操作的場景。例如，一個大型的計算任務可以被分成多個子任務， 每個子任務由一個線程執行。當所有子任務完成后，這些線程需要等待，直到所有子任務都完成，然后再執行下一步操作。
另外，CyclicBarrier 還可以用于優化代碼性能。例如，當我們需要等待多個線程都完成某項工作后，才能進行下一步操作。此時，我們可以使用 CyclicBarrier 來實現等待， 而不是使用 Thread.sleep() 方法等待一段時間。這樣可以避免無謂的等待時間，提高代碼效率。
@Test
public void test() {
int count = 10;
AtomicBoolean finish = new AtomicBoolean(false);
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(count, ()->{
System.out.println("線程執行完成");
finish.set(true);
});
IntStream.range(0,count).forEach(i->{
new Thread(()->{
System.out.println( "執行線程："+ i );
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} catch (BrokenBarrierException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}).start();
});
while (!finish.get()){}
}Semaphore的使用場景
它可以控制同時訪問某個共享資源的線程數量。常用于限制同時訪問某個資源的線程數量，例如數據庫連接池、線程池等。
- 控制并發線程數：Semaphore可以限制并發線程數，從而控制系統資源的使用情況。
- 控制訪問資源數：Semaphore可以控制同時訪問某個資源的線程數量，例如數據庫連接池，限制連接數。
- 實現生產者-消費者模型：Semaphore可以與阻塞隊列一起使用，實現生產者-消費者模型，控制生產者和消費者的數量。
- 多個線程間的協作：Semaphore可以用于多個線程之間的協作，例如某個線程需要等待某些條件滿足后才能繼續執行，可以使用Semaphore來實現等待和喚醒操作。
@Test
public void test() {
int count = 10;
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
IntStream.range(0,count).forEach(i->{
new Thread(()->{
try {
semaphore.acquire();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println( "執行線程："+ i );
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
semaphore.release();
}).start();
});
while (true){}
}結束語
涉及到線程的開發都伴隨著復雜性，不管是在代碼調試上還是理解線程切換與安全性上，JUC提供的各種強大的工具類將并發編程的復雜性進行了封裝，不管是在使用或是擴展上，都能通過簡單的幾行代碼實現多線程的各種協調工作。
