JUC最全详解(万字图文)

JUC，是Java Util Concurrency的缩写，是 Java 并发编程工具包，下面我重点详解JUC@mikechen

什么是JUC?

JUC，是Java Util Concurrency的缩写，是 Java 编程语言中用于处理并发编程的工具和框架的集合。

JUC 提供了一组类和工具，用于帮助 Java 开发者更容易地编写多线程和并发应用程序，以确保线程安全和高性能。

 

JUC组件

JUC 包括许多重要的并发编程组件，包含了：线程池、并发锁、并发工具类、异步编程等等，下面分别重点详解@mikechen

线程池

允许管理和重用线程，减少线程的创建和销毁开销，以及控制并发线程的数量。

线程池的实现

Java 提供了一个名为 ExecutorService 的接口，它表示线程池，并有多种实现类。

如下图所示：

Java提供的7种线程池实现：

1）Executors.newFixedThreadPool

创建一个固定大小的线程池，可控制并发的线程数，超出的线程会在队列中等待。

2）Executors.newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。

3）Executors.newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

4）Executors.newScheduledThreadPool

创建一个可以执行延迟任务的线程池。

5）Executors.newSingleThreadScheduledExecutor

创建一个单线程的可以执行延迟任务的线程池。

6）Executors.newWorkStealingPool

创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定），这个是JDK 1.8 添加。

7）ThreadPoolExecutor

手动创建线程池的方式，它创建时最多可以设置 7 个参数。

线程池的参数

线程池的参数，如下图所示：

• 核心线程数：线程池保持的最小线程数，即使它们是空闲的。
• 最大线程数：线程池能够同时运行的最大线程数。
• 队列：用于存储等待执行的任务的队列，可以是有界队列或无界队列。
• 空闲线程的存活时间：当线程池中的线程多于核心线程数时，空闲线程的最大存活时间。
• 拒绝策略：当队列已满且线程池中的线程数达到最大线程数时，定义如何处理新的任务。常见的策略包括抛出异常、阻塞等待、丢弃任务等。

线程池的原理

ThreadPool线程池的工作原理，如下图所示：

1.检查线程池是否已满

如果线程池中的线程数小于 corePoolSize，则创建新线程来执行任务。

2.将任务放入队列

如果线程池中的线程数大于等于 corePoolSize，则将任务放入任务队列，直到有空闲的线程可用。

3.准备开始处理任务

当一个线程完成了任务的执行后，它会返回线程池，并且准备处理下一个任务。

4.如果已满执行拒绝策略

如果线程池中的线程数量已经达到了限制，而且任务队列已经满了，那么线程池会拒绝该任务并执行拒绝策略。

 

Locks（锁机制）

提供更灵活的锁机制，如Synchronized和 ReentrantLock，用于精细控制线程的互斥访问。

Synchronized是解决多个线程之间访问资源的同步性，Synchronized 翻译为中文的意思是同步，也称之为”同步锁“。

当一个线程尝试进入一个 Synchronized 代码块时，JVM 会在对象头中设置一个标记位来表示该对象已经被锁定，并把这个锁放入到线程的锁池中。

Java对象头主要包括两部分数据，如下图所示：

主要包含类型指针和标记字段：

1)类型指针（Klass Pointer）

是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2)标记字段(Mark Word)

用于存储对象自身的运行时数据，比如：GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID等等。

ReentrantLock

ReentrantLock是Java中的一个可重入锁，是一种比synchronized更加灵活和强大的同步机制。

ReentrantLock是基于AQS来实现，AQS全名：AbstractQueuedSynchronize。

AQS它实现了一个FIFO的队列，底层实现的数据结构是一个双向链表，如下图所示：

AQS维护了一个状态变量state，用于表示锁的状态，以及一个线程变量exclusiveOwnerThread，用于记录当前持有锁的线程。

 

并发集合

线程安全的集合，如 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentLinkedQueue，用于在多线程环境中安全地存储和访问数据。

ConcurrentHashMap是Java集合框架中的一个线程安全的哈希表实现，它支持高效地并发访问和修改操作。

在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了：数组+Segment+分段锁的方式实现。

如下图所示：

在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap的实现经过了重大的改进，如下图所示：

参考了JDK8 HashMap的实现，进行全面升级。

JDK 1.8中的ConcurrentHashMap没有了“段”的概念，而是直接使用数组来存储Node，每个Node表示一个键值对。

 

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是一个非阻塞、线程安全的队列实现，它可以用于多个线程之间的并发队列操作。

该队列的操作包括添加元素、移除元素等，都是线程安全的，没有需要显式加锁。

 

CopyOnWriteArrayList：

CopyOnWriteArrayList是一个并发列表，适用于读多写少的场景。它通过复制底层数组来实现线程安全。

当有写入操作时，会复制底层数组并进行写入，而读取操作则不需要锁定。

这些并发集合提供了多种数据结构，用于不同的并发场景。

它们可以帮助开发者编写高性能、线程安全的多线程应用程序，同时避免了手动加锁和同步的复杂性。

 

原子变量

用于执行原子操作，如 AtomicInteger和 AtomicLong，确保多线程环境下的数据一致性。

AtomicInteger 是 Java 中的一个原子整数类，它属于 Java Util Concurrency（JUC）包。

AtomicInteger提供了一系列原子性操作，包括增加、减少、获取、设置等，这些操作可以确保在多线程环境下对整数值的操作是原子的。

如下所示：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerExample {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
        
        int currentValue = counter.get();
        System.out.println("Current Value: " + currentValue);
        
        int newValue = counter.incrementAndGet();
        System.out.println("New Value: " + newValue);
        
        int updatedValue = counter.addAndGet(5);
        System.out.println("Updated Value: " + updatedValue);
    }
}

AtomicInteger内部使用了 CAS（Compare-And-Swap）操作，这是一种硬件级别的原子性操作，用于保证线程安全。

它不需要显式的同步（如锁），因此在多线程环境中表现出色良好的性能。

 

并发工具类

用于协调多个线程之间的操作，如 CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore。

如下图所示：

提供了比synchronized更加高级的各种同步结构：包括CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，可以实现更加丰富的多线程操作。

• CountDownLatch是一个同步的辅助类，允许一个或多个线程，等待其他一组线程完成操作，再继续执行。
• CyclicBarrier的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier），和CountDownLatch相似，也是等待某些线程都做完以后再执行。
• Semaphore可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。
• Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类，Exchanger用于进行线程间的数据交换。

 

异步编程

Future 和 CompletableFuture：用于支持异步编程和获取异步操作的结果。

1.Future 

Future 是 Java 中的一个接口，它代表一个尚未完成的异步任务，允许您查询任务的状态和获取结果。

通过 submit 方法，可以将任务提交给一个 Executor，并获得一个 Future 对象，以便稍后获取任务的结果。

2.CompletableFuture 

CompletableFuture 是 Java 8 引入的类，它是 Future 的扩展，提供更多功能，使异步编程更容易。

它允许您以非阻塞的方式组合多个异步任务、处理异常、设置回调函数等。

如下所示：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 42);
future.thenApply(result -> result * 2)
      .thenAccept(finalResult -> System.out.println("Result: " + finalResult));

CompletableFuture 是 Java 中现代异步编程的首选方式，是更强大的异步编程工具。

CompletableFuture 提供了：丰富的功能来处理异步任务、组合操作、异常处理和回调函数，使得异步编程更加方便和灵活。

 

JUC总结

JUC 的目标是提供强大的工具和框架，以帮助 Java 开发者编写高效、线程安全的多线程应用程序。

同时避免常见的并发问题，如竞态条件、死锁和数据竞争。

通过 JUC，开发者可以更容易地实现多线程应用，提高应用程序的性能和可伸缩性。