超实用系列：Java并发工具全图鉴（必收藏）

作者 | 悟空 慕课网新星讲师

来源 | 慕课网（imooc.com）

  前言：

面试久了，你会发现Java并发编程是面试的重点考察点。并且随着公司的发展，用户量级会与日俱增，高性能、高并发的问题自然避免不了，因此具备并发处理能力的 Java 程序员必然是广大公司渴求的香饽饽。

接下来和大家分享我对Java并发知识的见解，全文主要分为如下7大点：

1. Java并发工具的痛点

2. 三大类：线程安全、方便管理、互相配合

3. 第一类：为了线程安全

4. 第二类：为了管理线程

5. 第三类：为了线程协作--控制并发流程的工具类

6. 面试常见问题

7. 继续深入学习的途径

1、Java并发工具痛点

Java并发中，一块非常重要的内容就是对于各种工具类的理解，常见的广义的并发工具包括：线程池、ConcurrentHashMap、AtomicInteger、CopyOnWriteArrayList、ArrayBlockingQueue、synchronized、LongAdder、ThreadLocal、各种Lock、Future、CountDownLatch、Semaphore等等。

以上这些工具，大家或多或少肯定都使用过，但是如果让我们自己编写功能类似的工具类，就很容易出错，因为我们可能会考虑不周；而JDK的常用工具类是经过了千万人检验的，值得信赖且功能完善。

我们应该学会使用，并深入理解这些工具类的原理。非必须情况下，没有必要重复造轮子，因为如果让我们自己写一个经得起考验的功能完善的线程池，那其实是非常困难的，有几千行代码，实际上，能完全读懂就已经不太容易了。

从刚才那一长串的工具类的名字中可以看出，并发工具的数量很多，而且功能好像也不尽相同，不容易完全掌握。

所以我们在此，对Java中常见的工具类做一个梳理，把它们排排坐分分类，以便啃下这块“硬骨头”。

2、Java工具三大类

Java并发工具按照目的，一共分为3类：

第一类：为了线程安全

第二类：为了管理线程

第三类：为了线程协作——控制并发流程

具体展开请点击下方的思维导图↓↓↓

图1 并发工具类的分类

有了这样的分类，未来我们拿到一个不熟悉的并发工具类的时候，就可以对号入座。先建立起全局的概念，未来的学习就会容易很多。

下面我们对这三个类别分别展开描述。

3、第一类：为了线程安全

第一类是最常见的工具类，最典型的有各种锁、原子类、ConcurrentHashMap等，这些工具的目的都是帮助我们在并发的情况下保证线程安全。

就达到线程安全的工具类而言，有两个分类的角度，第一个是从底层原理来分，第二个是从使用者程序员的角度来分类。这两种分类只是视角不同，但是本质相同，是一一对应的关系。

图2 达到并发安全的多种手段

在此，我们以线程安全里的老大哥“锁”为例，来一探究竟：

1   锁的分类——各种类型的锁很多，乱花渐欲迷人眼，如何拨开迷雾，看透本质？

下图这些分类，是从各种不同角度出发去看的，但是这些分类并不是互斥的，也就是多个类型可以并存：有可能一个锁，同时属于两种类型，比如ReentrantLock既是互斥锁，又是可重入锁。

 图3 Java锁的分类

2   常见的锁分别属于哪类？适用场景是什么？

可以看出，通常我们把锁分为以下这些类别：

1. 悲观锁和乐观锁

2. 共享锁和独占锁

3. 公平锁和非公平锁

4. 可重入锁和非可重入锁

5. 可中断锁和不可中断锁

6. 自旋锁和非自旋锁

我们以3个最常用的锁为例子，分析类型和适用场景如下：

	属于哪类锁	适用场景
ReentrantLock（实现Lock接口）	悲观锁 独占锁 可以自由设置是否是公平锁 可重入锁 可中断锁(有lockInterruptibly等可中断方法) CAS获取锁的时候有自旋（等学了源码分析后，再更新）	ReentrantLock功能强大，适用于大部分的普通情况
synchronized关键字	同时是悲观锁（重量级锁）和乐观锁（轻量级锁） 独占锁 非公平锁 可重入锁 不可中断锁 自旋锁（轻量级锁的时候） 在偏斜锁、轻量级锁、重量级锁之间升降级	对于Lock和synchronized的选择标准，参加本文本末的“继续学习”中的免费课部分
ReentrantReadWriteLock（实现ReadWriteLock接口）	读锁是共享锁，写锁是独占锁 可以自由设置是否是公平锁 可重入锁，顾名思义 可中断锁(有lockInterruptibly等可中断方法)	ReentrantReadWriteLock适用于读多写少的情况，合理使用可以进一步提高并发效率。

4、第二类：为了管理线程

除了刚才说到的为了线程安全的工具类之外，现在将要介绍的“管理线程”也是很重要的一类并发工具，最典型的就是线程池和Future相关类，我们先来看看线程池。

为了方便管理线程，提高效率——线程池

1    线程池的重要性

线程池是非常重要的工具，如果你要成为一个好的工程师，需要比较好地掌握这个知识，很多线上问题都是因为没有用好线程池所导致的。即使你现阶段的目标还未考虑那么深远，也要知道，这基本上是面试必问的题目，而且面试官很容易从被面试者的回答中捕捉到被面试者的技术水平。

2    什么是“池”

软件中的“池”，可以理解为工厂，工厂里有一定数量的工人，工人会帮助你制造产品，但是每一个工人的招聘和培训都要花费很大成本，所以你希望尽量利用这已有的例如20个工人长期帮你做事，而不是每次都重新招聘。

如果最近生意好，我们可以适当扩招，但是工厂所能被分配到的资源是有限的，比如占地面积、资金等，所以当你真的接到过多订单的时候，你没办法无限扩招工人，所以订单只能排队，等待工人慢慢处理。

总结成两点，“池”的作用：

· 复用已有资源

· 控制资源总量

数据库连接池是这样，线程池也是如此。

当一个新任务过来了，我发现池里有空闲的线程，我就直接派他去干活，不需要重新创建一条线程了，要知道线程的创建和销毁可都是麻烦事；而如果新任务过来的时候，如果池里的线程都在忙，并且现在池子的线程已经很多了，那么新任务就去排队~

3    为什么要使用线程池

总而言之是减小开销，提高效率：

1) 问题一：反复创建线程开销大

在Java中，如果每个请求到达就去创建一个新线程，开销是相当大的，因为每一个Java的线程就对应一个操作系统的线程。在实际使用中，线程的创建和销毁都是需要时间的，如果是一个量级非常轻的请求，服务器也要新创建一条线程去处理，那么有可能创建和销毁线程消耗的时间，比请求处理的时间还更长。

2) 问题二：过多的线程会占用太多内存

创建过多的线程还会导致内存溢出。活动的线程需要消耗系统资源，如果在一个JVM里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。

3) 解决以上两个问题的思路

尽可能使用少量的线程——避免内存占用过多

让这部分线程都保持工作，且可以反复执行任务——避免生命周期的损耗

4    线程池好处

· 线程池解决了线程生命周期开销问题和系统资源不足的问题

线程池刚创建的时候，会先创建一定数量的线程，比如说10个，这样当有新请求分配过来的时候，就可以直接从池子里取出一个已经创建好的线程，直接开始处理请求，这样就省去了创建线程的时间。

再加上对线程的重复使用，就可以大大减小了线程生命周期的开销，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟，使用应用程序响应更快，增强了用户体验。

· 合理统筹内存和CPU的使用

通过灵活适当地调整线程中的线程数目，使得既不会由于线程太多导致内存溢出（避免抛出java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread），也不会由于线程太少导致浪费CPU资源，而是可以达到完美的平衡。

·  统一管理资源

使用线程池可以统一管理任务队列和线程，例如可以统一开始和结束，比单个线程逐一处理任务要更方便、更易于管理。同时这样也便于数据统计，因为每个ThreadPoolExecutor还维护一些基本统计数据，例如已完成任务的数量。

5    线程池适合应用的场合

当一个服务器接受到大量短小线程的请求时，使用线程池技术是非常合适的，它可以大大减少线程的创建和销毁次数，提高服务器的工作效率。

获取子线程的运行结果——Future相关类

Future的核心思想是：一个方法的计算过程可能非常耗时，一直在原地等待方法返回，显然不明智。可以把该计算过程放到线程池去执行，并通过Future去控制方法的计算过程，在计算出结果后直接获取该结果，这样就避免了傻傻等待造成的时间浪费。

在JDK 8中，还引入了很好用的CompletableFuture，可以完成例如“等待多个异步任务完成后，获取到结果，再利用这些结果执行接下来的任务”等更复杂的功能。

5、第三类：为了线程协作

除了以上讲的“为了线程安全”、“为了管理线程”外，第三类并发工具类就是为了线程之间的协作互助。

控制并发流程的工具类，作用就是帮助我们程序员更容易得让线程之间开展合作，让线程之间相互配合，来满足业务逻辑，比如让线程A等待线程B执行完毕后再执行任务等合作策略。

控制并发流程的工具类简称同步工具类，主要有以下几个：

类	作用	说明
Semaphore	信号线，可以通过控制“许可证”的数量，来保证线程之间的配合	线程只有在拿到“许可证”后才能继续运行。相比于其他的同步器，更灵活
CyclicBarrier	线程会等待，直到足够多线程达到了事先规定的数目。一旦达到触发条件，就可以进行下一步的动作。	适用于线程之间相互等待处理结果就绪的场景
Phaser	和CyclicBarrier类似，但是计数可变	Java 7加入的
CountDownLatch	和CyclicBarrier类似，数量递减到0时，触发动作	不可重复使用
Exchanger	让两个线程在合适时交换对象	适用场景：当两个线程工作在同一个类的不同实例上时，用于交换数据
Condition	可以控制线程的“等待”和“唤醒”	是Object.wait(), notify(), notifyAll()的升级版，功能更强大，也更安全

6、面试常见问题

关于Java并发工具类和原理，每一个类都有非常多的知识点将会作为面试时常见的问题。

在此我们仅以ConcurrentHashMap为例，问题的难度会逐渐增大：

· 对比Hashtable, HashMap, TreeMap，它们有什么不同？

· 同样是线程安全，ConcurrentHashMap和Hashtable 的区别？

· 为什么有Collections.synchronizedMap()，还需要ConcurrentHashMap？

· HashMap（HashSet同理）在多线程下可能造成CPU100%，是为什么？

· JDK8的ConcurrentHashMap也会造成CPU 100%，你知道吗？

· HashMap在Java 7和8有什么不同？

· ConcurrentHashMap在Java 7和8有什么不同？画一下结构图

· 为什么Map桶中超过8个才转为红黑树？

· ConcurrentHashMap的扩容流程你了解吗？画一下流程图

7、继续深入学习路径

后续我将会对约二十种常见的并发工具类进行深入讲解，其中就包括本篇文章里含有的线程池和JUC中各种常用的类，会按照上面思维导图的思路层层展开。

小伙伴们如果对并发想更深入学习，可以扫码关注我哦~

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