面试官必问：Java中的JUC工具类详细揭秘

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来源丨Java技术指北（ID：javanorth）

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JUC - 辅助类

JUC（java.util.concurrent）是在Java 5中引入的一个并发编程的扩展库，目的是为了更加方便、快捷和安全地实现并发编程。它提供了一系列的工具类、锁、队列以及原子类等来协调多线程之间的操作。

基于现代硬件不断地发展，为了充分利用服务器资源，并发编程在我们的开发中已经无处不在，今天主要了解下JUC包中提供的几个工具类，让我们在并发编程时提供助力。

简介

Java并发编程是一门复杂的技术，其中有一些难点需要特别注意。以下是一些Java并发编程的难点：

• 线程安全：多线程执行的代码必须是线程安全的，否则会产生竞态条件和其他问题。

• 死锁：当多个线程因为互相等待其他线程释放锁而无法继续执行时，就会产生死锁。

• 竞态条件：当多个线程试图同时访问同一个共享资源时，就会产生竞态条件。

• 内存可见性：多个线程同时访问同一个变量时，可能会产生内存可见性问题，即一个线程对变量的修改不会立即被其他线程所感知。

• 并发集合类：Java提供了一些并发集合类，如ConcurrentHashMap和ConcurrentLinkedQueue，但使用它们需要注意一些细节问题。

• 线程池：线程池是Java并发编程中的一个重要概念，但线程池的使用也需要注意一些问题，如线程池大小、任务队列类型等。

• CAS操作：Java提供了CAS（Compare-And-Swap）操作，可以用于实现非阻塞算法，但使用CAS操作需要非常小心，以免产生ABA问题等。

工具类

• CountDownLatch
  CountDownLatch是一个同步辅助类，使用一个给定数量的计数器，当该计数器不为0时，将程序阻塞在wait()处，当线程执行完成后通过调用countDown()使计数器减一, 直到计数器为0后才会继续执行后续代码。 主要实现某个任务依赖其他一个或多个异步任务的执行结果的场景

核心方法：

/**
 * 定义计数器数量，用于定义多少个执行线程
 */
public CountDownLatch(int count);
/**
 * 阻塞方法，直到计数器为0时才会继续执行后续代码
 */
public void await();
/**
 * 每次调用改方法，则计数器减一
 */
public void countDown();

• CyclicBarrier
  CyclicBarrier内部同样定义了计数器，只不过每当有线程执行完后改计数器加一，直至达到定义数量后，执行定义的回调函数与await()后续代码。与CountDownLatch相比，CyclicBarrier会对子任务阻塞，而CountDownLatch则阻塞主任务；另外CyclicBarrier可以重复使用。 主要实现某个回调函数在一个或多个线程执行完成后触发的情形

核心方法：

/**
 * 定义计数器数量与回调函数
 */
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);
/**
 * 阻塞方法，当有线程执行到则计数器加一，等到达到目标数后才会继续后续代码
 */
public int await();
/**
 * 通过该方法可以实现计数器的重置
 */
public void reset();

• Semaphore
  信号量通常用于限制可以访问某些（物理或逻辑）资源的线程数。 适用于有限资源数量的控制

核心方法：

/**
 * 定义许可数量
 */
public Semaphore(int permits);
/**
 * 申请许可，改方法会阻塞程序
 */
public void acquire();
/**
 * 释放许可
 */
public void release();

示例

CountDownLatch的使用场景

CountDownLatch是Java并发包中的一个工具类，它可以实现线程之间的协作。具体来说，CountDownLatch可以让一个线程等待多个线程执行完毕，再继续执行。CountDownLatch常用于以下场景：

1. 主线程等待多个子线程执行完毕。
2. 多个子线程等待某个共同任务的完成。
3. 模拟并发请求，等待所有请求都响应完毕再进行下一步操作。
4. 统计多个线程执行的时间。

    @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( "执行线程："+ i );
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            }).start();
        });

        countDownLatch.await();

        System.out.println("线程执行完成");
    }

CyclicBarrier的使用场景

它允许多个线程在某个屏障处等待，直到所有线程都到达该屏障时才会继续执行。

CyclicBarrier 适用于一组线程需要相互等待，直到所有线程都完成某个任务后才能继续执行下一步操作的场景。例如，一个大型的计算任务可以被分成多个子任务， 每个子任务由一个线程执行。当所有子任务完成后，这些线程需要等待，直到所有子任务都完成，然后再执行下一步操作。

另外，CyclicBarrier 还可以用于优化代码性能。例如，当我们需要等待多个线程都完成某项工作后，才能进行下一步操作。此时，我们可以使用 CyclicBarrier 来实现等待， 而不是使用 Thread.sleep() 方法等待一段时间。这样可以避免无谓的等待时间，提高代码效率。

@Test
    public void test() {
        int count = 10;
        AtomicBoolean finish = new AtomicBoolean(false);
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(count, ()->{
            System.out.println("线程执行完成");
            finish.set(true);
        });

        IntStream.range(0,count).forEach(i->{
            new Thread(()->{
                System.out.println( "执行线程："+ 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的使用场景

它可以控制同时访问某个共享资源的线程数量。常用于限制同时访问某个资源的线程数量，例如数据库连接池、线程池等。

1. 控制并发线程数：Semaphore可以限制并发线程数，从而控制系统资源的使用情况。
2. 控制访问资源数：Semaphore可以控制同时访问某个资源的线程数量，例如数据库连接池，限制连接数。
3. 实现生产者-消费者模型：Semaphore可以与阻塞队列一起使用，实现生产者-消费者模型，控制生产者和消费者的数量。
4. 多个线程间的协作：Semaphore可以用于多个线程之间的协作，例如某个线程需要等待某些条件满足后才能继续执行，可以使用Semaphore来实现等待和唤醒操作。

    @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( "执行线程："+ i );

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                semaphore.release();
            }).start();
        });

        while (true){}
    }

结束语

涉及到线程的开发都伴随着复杂性，不管是在代码调试上还是理解线程切换与安全性上，JUC提供的各种强大的工具类将并发编程的复杂性进行了封装，不管是在使用或是扩展上，都能通过简单的几行代码实现多线程的各种协调工作。

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