JUC高并发编程详解

大家好，欢迎来到这篇关于JUC（Java Util Concurrent）高并发编程的博客！在这个数字时代，我们的软件需求越来越庞大，而对于高并发编程的需求也日益迫切。在Java的世界里，JUC就像一位强大的武士，为我们打开了处理并发编程的大门。今天，我们将深入了解JUC，学习它的各种武器和战术，助你在并发的战场上游刃有余。

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为什么要关注高并发？

在我们的日常生活中，我们经常面对着需要同时处理多个任务的情况。比如，你在一个热门的电商网站购物，同时成千上万的人也在浏览同一件商品；或者你在一个社交平台发布了一条动态，瞬间就被数百人点赞和评论。这时，高并发就成了我们需要面对的挑战。所以，掌握高并发编程是我们作为程序员必备的技能之一。

JUC简介

首先，让我们认识一下JUC。JUC是Java 5引入的一个包，旨在提供更强大的并发编程支持。可以把它想象成一座丰富多彩的工具库，里面有各种各样的工具，帮助我们轻松应对并发的各种问题。

并发基础知识

在深入JUC之前，我们需要掌握一些基础的并发概念。首先是线程，你可以把它想象成程序中的一条执行路径。当多个线程同时执行时，就会涉及到共享资源的访问问题。这时，我们就需要考虑如何保证多个线程之间的安全性。

同步与异步

在并发编程中，同步和异步是两个关键的概念。同步指的是按照程序的顺序依次执行，而异步则是可以同时执行多个任务，不需要等待前一个任务完成。就像你在餐馆等待上菜的时候，服务员会继续为其他桌的客人服务，这就是异步。

// 示例：同步执行
public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 一些同步操作
}

// 示例：异步执行
public void asynchronousMethod() {
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        // 一些异步操作
    });
}

互斥锁

在并发编程中，互斥锁是一种常用的同步机制，用于保护共享资源，防止多个线程同时修改数据造成的问题。在Java中，我们可以使用synchronized关键字或ReentrantLock类来实现互斥锁。

// 示例：synchronized关键字
public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 互斥锁保护的操作
}

// 示例：ReentrantLock
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void lockMethod() {
    lock.lock();
    try {
        // 互斥锁保护的操作
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

JUC的利器：线程池

在高并发环境下，创建大量线程会导致系统资源的浪费和性能下降。为了更有效地管理线程，JUC提供了线程池的概念。

线程池的好处

线程池通过维护一定数量的线程，重复利用它们来执行任务，避免了频繁创建和销毁线程的开销。这不仅提高了程序的性能，还避免了线程数量失控可能带来的问题。

使用线程池

JUC提供了Executor框架，用于管理线程池。下面是一个简单的线程池的创建和使用示例：

// 示例：创建固定大小的线程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

// 提交任务
executorService.submit(() -> {
    // 执行任务的代码
});

// 关闭线程池
executorService.shutdown();

原子操作与CAS

在高并发环境中，对共享变量的操作可能会导致数据不一致的问题。为了解决这个问题，JUC提供了原子操作和CAS（Compare and Swap）机制。

原子变量

在JUC中，Atomic开头的类如AtomicInteger、AtomicLong等提供了一系列原子操作，保证了多个线程对变量的操作是原子的。

// 示例：AtomicInteger的使用
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

int result = atomicInteger.incrementAndGet();

CAS机制

CAS是一种乐观锁的实现方式，通过比较并交换的方式来保证操作的原子性。在JUC中，Atomic类的原子操作就是基于CAS实现的。

// 示例：CAS的使用
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

while (true) {
    int current = atomicInteger.get();
    int next = current + 1;

    if (atomicInteger.compareAndSet(current, next)) {
        // 成功修改，退出循环
        break;
    }
}

并发工具类

JUC还提供了一些强大的并发工具类，帮助开发者更方便地处理高并发场景。

CountDownLatch

CountDownLatch是一种同步工具，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

// 示例：CountDownLatch的使用
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

// 线程1
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    countDownLatch.countDown();
}).start();

// 线程2
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    countDownLatch.countDown();
}).start();

// 线程3
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    countDownLatch.countDown();
}).start();

// 主线程等待
countDownLatch.await();

CyclicBarrier

CyclicBarrier也是一种同步工具，它允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点。

// 示例：CyclicBarrier的使用
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);

// 线程1
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    try {
        cyclicBarrier.await(); // 等待其他线程
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

// 线程2
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    try {
        cyclicBarrier.await(); // 等待其他线程
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

// 线程3
new Thread(() -> {
    // 一些操作
    try {
        cyclicBarrier.await(); // 等待其他线程
    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

// 主线程等待
cyclicBarrier.await();

Semaphore

Semaphore是一种允许多个线程同时访问共享资源的同步工具。

// 示例：Semaphore的使用
Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 允许3个线程同时访问

// 线程1
new Thread(() -> {
    try {
        semaphore.acquire(); // 获取许可
        // 一些操作
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        semaphore.release(); // 释放许可
    }
}).start();

// 线程2、线程3 略...

线程安全容器

在多线程环境中，对容器的操作需要考虑线程安全性。JUC提供了一些线程安全的容器，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是HashMap的线程安全版本，适用于高并发的场景。

// 示例：ConcurrentHashMap的使用
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

map.put("key1", 1);
map.put("key2", 2);

int result = map.get("key1");

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本，它通过在写操作时复制整个容器，避免了写操作影响读操作的性能问题。

// 示例：CopyOnWriteArrayList的使用
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

list.add("element1");
list.add("element2");

String result = list.get(0);

异步编程

随着异步编程的兴起，JUC也提供了一些支持异步编程的工具。

CompletableFuture

CompletableFuture是一个强大的工具，用于异步编程。它支持链式调用，可以方便地处理异步任务的结果。

// 示例：CompletableFuture的使用
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 异步执行的任务
    return "Hello";
}).thenApplyAsync(result -> {
    // 在上一个任务的结果上进行操作
    return result + " World";
}).thenAcceptAsync(finalResult -> {
    // 处理最终结果
    System.out.println(finalResult);
});

// 主线程等待
future.join();