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Java并发工具类：这些知识点你不可不知！

大家好，我是闫工，今天咱们来聊一聊Java中的并发工具类。作为一名Java工程师，如果你对并发编程还不是很熟悉的话，那这篇文章可能会让你眼前一亮！并发工具类是Java中非常重要的知识点，掌握它们不仅能让你在面试中脱颖而出，还能在实际开发中写出高效、优雅的代码。

那么，什么是并发工具类呢？简单来说，就是Java提供的一些帮助我们处理多线程并发问题的类。这些类分布在java.util.concurrent包下，包含了诸如线程池、锁、同步器等等工具。今天咱们就来逐一了解一下这些工具类，看看它们各自有什么特点和应用场景。

一、Executor框架：线程管理的艺术

1.1 线程池的基本概念

在Java中，Executor框架是并发编程的核心，它简化了线程的管理和使用。传统的线程创建方式是通过new Thread()来启动一个线程，但这种方式存在一些问题：

• 资源浪费：每次创建线程都需要消耗一定的系统资源。
• 难以管理：当线程数量很多时，很难统一管理和控制它们。

而Executor框架则很好地解决了这些问题。它采用“线程池”的概念，允许我们将任务提交到一个线程池中，由线程池来管理和复用线程，从而提高程序的性能和资源利用率。

1.2 线程池的类型

Java中的线程池主要有以下几种实现：

• FixedThreadPool：固定大小的线程池。
• CachedThreadPool：可缓存的线程池，适用于执行短期任务。
• SingleThreadExecutor：单线程的线程池，保证所有任务串行执行。
• ScheduledThreadPool：支持延迟和周期性任务的线程池。

FixedThreadPool

FixedThreadPool是最常见的线程池类型之一。它会维护一个固定大小的线程池，当提交的任务数量超过线程池容量时，剩下的任务会被放入队列中等待执行。

ExecutorServiceexecutor=Executors.newFixedThreadPool(5);for(inti=0;i<10;i++){executor.submit(()->System.out.println("Task executed by "+Thread.currentThread().getName()));}executor.shutdown();

特点：

• 线程池大小固定。
• 适用于任务数量较多且需要控制资源消耗的场景。

CachedThreadPool

CachedThreadPool是一个动态扩展的线程池。当提交的任务数量超过当前线程数时，它会创建新的线程来执行这些任务；而当线程空闲一段时间后，它们会被回收。

ExecutorServiceexecutor=Executors.newCachedThreadPool();for(inti=0;i<10;i++){executor.submit(()->System.out.println("Task executed by "+Thread.currentThread().getName()));}executor.shutdown();

特点：

• 线程池大小动态调整。
• 适用于短期、临时的任务。

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor是一个单线程的线程池，所有任务都会串行执行。虽然看起来效率不高，但在某些场景下非常有用。

ExecutorServiceexecutor=Executors.newSingleThreadExecutor();for(inti=0;i<5;i++){executor.submit(()->System.out.println("Task "+i+" executed by "+Thread.currentThread().getName()));}executor.shutdown();

特点：

• 所有任务串行执行。
• 适用于需要保证顺序执行的场景。

ScheduledThreadPool

ScheduledThreadPool支持延迟和周期性任务的执行。它结合了固定大小线程池的功能，并提供了schedule()方法来安排任务。

ScheduledExecutorServiceexecutor=Executors.newScheduledThreadPool(3);// 延迟1秒后执行executor.schedule(()->System.out.println("Delayed task executed"),1,TimeUnit.SECONDS);// 每隔2秒执行一次，第一次延迟5秒executor.scheduleAtFixedRate(()->System.out.println("Periodic task executed"),5,2,TimeUnit.SECONDS);

特点：

• 支持延迟和周期性任务。
• 线程池大小固定。

二、CountDownLatch：让线程等待

在并发编程中，我们常常需要让一个或多个线程等待某些条件满足后才能继续执行。CountDownLatch就是一个非常有用的工具类，它允许我们在指定的“门”关闭之前阻塞线程。

2.1 CountDownLatch的基本用法

CountDownLatch通过计数器来实现同步。初始化时需要指定一个计数值，每次调用countDown()方法会将计数值减1，当计数值为0时，“门”才会打开，被阻塞的线程才能继续执行。

importjava.util.concurrent.CountDownLatch;publicclassCountDownLatchExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{CountDownLatchlatch=newCountDownLatch(3);// 启动三个子线程，分别完成任务后调用countDown()for(inti=0;i<3;i++){newThread(()->{System.out.println("Task completed by "+Thread.currentThread().getName());latch.countDown();}).start();}// 主线程等待latch完成latch.await();System.out.println("All tasks are done!");}}

运行结果：

Task completed by Thread-0 Task completed by Thread-1 Task completed by Thread-2 All tasks are done!

2.2 CountDownLatch的注意事项

• 不可重用：一旦计数值减为0，CountDownLatch就不能再使用了。
• 线程安全：多个线程同时调用countDown()方法是线程安全的。

三、CyclicBarrier：循环等待的屏障

如果说CountDownLatch是一个“门”，那么CyclicBarrier就是一个可以重复使用的“门”。它允许多个线程在某个指定的点上互相等待，直到所有线程都到达该点后才继续执行。

3.1 CyclicBarrier的基本用法

CyclicBarrier通过一个同步点来协调多个线程。初始化时需要指定参与同步的线程数量，并且可以通过重置方法reset()重新使用它。

importjava.util.concurrent.CyclicBarrier;publicclassCyclicBarrierExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{CyclicBarrierbarrier=newCyclicBarrier(3,()->System.out.println("All threads are at the barrier!"));for(inti=0;i<3;i++){newThread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is waiting at the barrier.");try{barrier.await();}catch(InterruptedExceptione){Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continues execution.");}).start();}}}

运行结果：

Thread-0 is waiting at the barrier. Thread-1 is waiting at the barrier. Thread-2 is waiting at the barrier. All threads are at the barrier! Thread-0 continues execution. Thread-1 continues execution. Thread-2 continues execution.

3.2 CyclicBarrier的注意事项

• 可重用：CyclicBarrier可以通过调用reset()方法重新使用。
• 线程安全：多个线程同时调用await()方法是线程安全的。

四、Semaphore：控制并发访问

在某些场景下，我们可能需要限制同时访问某个资源的线程数量。Semaphore就是用来实现这种功能的工具类。

4.1 Semaphore的基本用法

Semaphore通过许可来控制并发访问。初始化时可以指定许可证的数量，并且可以通过acquire()和release()方法来获取和释放许可证。

importjava.util.concurrent.Semaphore;publicclassSemaphoreExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{// 最多允许3个线程同时访问资源Semaphoresemaphore=newSemaphore(3);for(inti=0;i<5;i++){newThread(()->{try{// 尝试获取许可证，如果无可用许可证则阻塞semaphore.acquire();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is accessing the resource.");Thread.sleep(1000);}catch(InterruptedExceptione){Thread.currentThread().interrupt();}finally{// 释放许可证semaphore.release();}}).start();}}}

运行结果：

Thread-0 is accessing the resource. Thread-1 is accessing the resource. Thread-2 is accessing the resource. ...

4.2 Semaphore的注意事项

• 公平性：默认情况下，Semaphore是非公平的，可能会导致某些线程长时间被阻塞。
• 可重用：许可证可以被多次获取和释放。

总结

在Java并发编程中，CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore是非常有用的工具类。它们可以帮助我们更好地控制线程的同步与协作。

• CountDownLatch适用于需要等待多个任务完成后再继续执行的场景。
• CyclicBarrier适用于需要让多个线程在某个点上互相等待的场景，而且可以重复使用。
• Semaphore适用于需要限制同时访问某资源的线程数量的场景。

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