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Java多線程進(jìn)階（一）—— J.U.C并發(fā)包概述

anonymoussf / 3123人閱讀

摘要：整個(gè)包，按照功能可以大致劃分如下鎖框架原子類框架同步器框架集合框架執(zhí)行器框架本系列將按上述順序分析，分析所基于的源碼為。后，根據(jù)一系列常見的多線程設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)了并發(fā)包，其中包下提供了一系列基礎(chǔ)的鎖工具，用以對(duì)等進(jìn)行補(bǔ)充增強(qiáng)。

本文首發(fā)于一世流云專欄：https://segmentfault.com/blog...
J.U.C包簡(jiǎn)介

J.U.C并發(fā)包，即java.util.concurrent包，是JDK的核心工具包，是JDK1.5之后，由 Doug Lea實(shí)現(xiàn)并引入。

整個(gè)java.util.concurrent包，按照功能可以大致劃分如下：

juc-locks 鎖框架

juc-atomic 原子類框架

juc-sync 同步器框架

juc-collections 集合框架

juc-executors 執(zhí)行器框架

本系列將按上述順序分析J.U.C，分析所基于的源碼為Oracle JDK1.8.0_111。

主要參考書籍：

《Java Concurrency in Practice》 Brian Goetz等

《JAVA多線程設(shè)計(jì)模式》 結(jié)城 浩

juc-locks 鎖框架

早期的JDK版本中，僅僅提供了synchronizd、wait、notify等等比較底層的多線程同步工具，開發(fā)人員如果需要開發(fā)復(fù)雜的多線程應(yīng)用，通常需要基于JDK提供的這些基礎(chǔ)工具進(jìn)行封裝，開發(fā)自己的工具類。JDK1.5+后，Doug Lea根據(jù)一系列常見的多線程設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)了JUC并發(fā)包，其中java.util.concurrent.locks包下提供了一系列基礎(chǔ)的鎖工具，用以對(duì)synchronizd、wait、notify等進(jìn)行補(bǔ)充、增強(qiáng)。

java.util.concurrent.locks包的結(jié)構(gòu)如下：

包內(nèi)接口和類的簡(jiǎn)單UML圖如下：

本部分包含以下文章：

J.U.C之locks框架（1）：接口說明

J.U.C之locks框架（2）：ReentrantLock 的使用

J.U.C之locks框架（3）：ReentrantReadWriteLock 的使用

J.U.C之locks框架（4）：LockSupport 工具類

J.U.C之locks框架（5）：AbstractQueuedSynchronizer 綜述

J.U.C之locks框架（6）：AbstractQueuedSynchronizer 的獨(dú)占功能原理

J.U.C之locks框架（7）：Condition 原理

J.U.C之locks框架（8）：AbstractQueuedSynchronizer 的共享功能原理

J.U.C之locks框架（9）：ReentrantReadWriteLock 原理

J.U.C之locks框架（10）：更強(qiáng)的讀寫鎖——StampedLock

juc-atomic 原子類框架

早期的JDK版本中，如果要并發(fā)的對(duì)Integer、Long、Double之類的Java原始類型或引用類型進(jìn)行操作，一般都需要通過鎖來控制并發(fā)，以防數(shù)據(jù)不一致。

從JDK1.5開始，引入了java.util.concurrent.atomic工具包，該包提供了許多Java原始/引用類型的映射類，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean，這些類可以通過一種“無鎖算法”，線程安全的操作Integer、Long、Boolean等原始類型。

所謂“無鎖算法”，我們?cè)谥vjuc-locks鎖框架系列中，已經(jīng)接觸過太多次了，其實(shí)底層就是通過Unsafe類實(shí)現(xiàn)的一種比較并交換的算法，大致的結(jié)構(gòu)如下（具體入?yún)ⅲ鶕?jù)上下文有所不同）：
boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);
當(dāng)希望修改的值與expectedValue相同時(shí)，則嘗試將值更新為updateValue，更新成功返回true，否則返回false。

java.util.concurrent.atomic包結(jié)構(gòu)如下：

包內(nèi)類的簡(jiǎn)單UML圖如下：

本部分包含以下文章：

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（1）：Unsafe類

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（2）：AtomicInteger

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（3）：AtomicReference

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（4）：Atomic數(shù)組

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（5）：AtomicXXXFieldUpdater

J.U.C之a(chǎn)tomic框架（6）：更強(qiáng)的原子類——LongAdder

juc-sync 同步器框架

這里的juc-sync同步器框架，是指java.util.concurrent包下一些輔助同步器類，每個(gè)類都有自己適合的使用場(chǎng)景：

同步器名稱 作用
CountDownLatch 倒數(shù)計(jì)數(shù)器，構(gòu)造時(shí)設(shè)定計(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)值歸零后，所有阻塞線程恢復(fù)執(zhí)行；其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了AQS框架
CyclicBarrier 循環(huán)柵欄，構(gòu)造時(shí)設(shè)定等待線程數(shù)，當(dāng)所有線程都到達(dá)柵欄后，柵欄放行；其內(nèi)部通過ReentrantLock和Condition實(shí)現(xiàn)同步
Semaphore 信號(hào)量，類似于“令牌”，用于控制共享資源的訪問數(shù)量；其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了AQS框架
Exchanger 交換器，類似于雙向柵欄，用于線程之間的配對(duì)和數(shù)據(jù)交換；其內(nèi)部根據(jù)并發(fā)情況有“單槽交換”和“多槽交換”之分
Phaser 多階段柵欄，相當(dāng)于CyclicBarrier的升級(jí)版，可用于分階段任務(wù)的并發(fā)控制執(zhí)行；其內(nèi)部比較復(fù)雜，支持樹形結(jié)構(gòu)，以減少并發(fā)帶來的競(jìng)爭(zhēng)

本部分包含以下文章：

J.U.C之synchronizer框架（1）：倒數(shù)計(jì)數(shù)器——CountDownLatch

J.U.C之synchronizer框架（2）：循環(huán)柵欄——CyclicBarrier

J.U.C之synchronizer框架（3）：信號(hào)量——Semaphore

J.U.C之synchronizer框架（4）：數(shù)據(jù)交換器——Exchanger

J.U.C之synchronizer框架（5）：多階段柵欄——Phaser

juc-collections 集合框架

這里的juc-collections集合框架，是指java.util.concurrent包下的一些同步集合類，按類型劃分可以分為：符號(hào)表、隊(duì)列、Set集合、列表四大類，每個(gè)類都有自己適合的使用場(chǎng)景，整個(gè)juc-collections集合框架的結(jié)構(gòu)如下圖：

其中阻塞隊(duì)列的分類及特性如下表：

隊(duì)列特性 有界隊(duì)列 近似無界隊(duì)列 無界隊(duì)列 特殊隊(duì)列
有鎖算法 ArrayBlockingQueue LinkedBlockingQueue、LinkedBlockingDeque / PriorityBlockingQueue、DelayQueue
無鎖算法 / / LinkedTransferQueue SynchronousQueue

本部分包含以下文章：

J.U.C之collections框架（1）：ConcurrentHashMap的基本原理

J.U.C之collections框架（2）：ConcurrentHashMap的擴(kuò)容

J.U.C之collections框架（3）：跳表——ConcurrentSkipListMap

J.U.C之collections框架（4）：ConcurrentSkipListSet

J.U.C之collections框架（5）：“寫時(shí)復(fù)制”的應(yīng)用——CopyOnWriteArrayList

J.U.C之collections框架（6）：CopyOnWriteArraySet

J.U.C之collections框架（7）：無鎖隊(duì)列——ConcurrentLinkedQueue

J.U.C之collections框架（8）：無鎖雙端隊(duì)列——ConcurrentLinkedDeque

J.U.C之collections框架（9）：阻塞隊(duì)列簡(jiǎn)介——BlockingQueue

J.U.C之collections框架（10）：基于數(shù)組的阻塞隊(duì)列——ArrayBlockingQueue

J.U.C之collections框架（11）：基于單鏈表的阻塞隊(duì)列——LinkedBlockingQueue

J.U.C之collections框架（12）：基于堆的優(yōu)先級(jí)阻塞隊(duì)列——PriorityBlockingQueue

J.U.C之collections框架（13）：特殊的同步隊(duì)列——SynchronousQueue

J.U.C之collections框架（14）：延時(shí)阻塞隊(duì)列——DelayQueue

J.U.C之collections框架（15）：基于雙鏈表的阻塞雙端隊(duì)列——LinkedBlockingDeque

J.U.C之collections框架（16）：LinkedTransferQueue

juc-executors 執(zhí)行器框架

executors框架是整個(gè)J.U.C包中類/接口關(guān)系最復(fù)雜的框架，executors其實(shí)可以劃分為3大塊，每一塊的核心都是基于Executor這個(gè)接口：

線程池

Future模式

Fork/Join框架

本部分包含以下文章：

J.U.C之executors框架（1）：executors框架概述
J.U.C之executors框架（2）：普通線程池——ThreadPoolExecutor
J.U.C之executors框架（3）：計(jì)劃線程池——ScheduledThreadPoolExecutor
J.U.C之executors框架（4）：Future 模式
J.U.C之executors框架（5）：Fork/Join 框架的原理
J.U.C之executors框架（6）：Fork/Join 框架的實(shí)現(xiàn)

后續(xù)文章將從juc-locks鎖框架開始，循序漸進(jìn)得介紹各個(gè)框架中得多線程工具的使用方法和原理。

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