第六章：多线程与并发

6.5 并发工具类（Executor, Semaphore, CountDownLatch等）

Java提供了丰富的并发工具类来简化多线程编程，提高开发效率和程序性能。本节将介绍几种常用的并发工具类及其应用场景。

1. Executor框架

Executor框架是Java 5引入的线程池管理工具，用于解耦任务提交与任务执行。

核心接口与类

  • Executor: 基础接口，定义execute(Runnable)方法
  • ExecutorService: 扩展Executor，提供生命周期管理
  • ThreadPoolExecutor: 可配置的线程池实现
  • Executors: 工厂类，提供常用线程池配置

常用线程池类型

// 固定大小线程池
ExecutorService fixedPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

// 缓存线程池（自动扩容）
ExecutorService cachedPool = Executors.newCachedThreadPool();

// 单线程池（保证任务顺序执行）
ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();

// 定时任务线程池
ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

2. Semaphore（信号量）

控制同时访问特定资源的线程数量，常用于限流场景。

基本用法

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

void accessResource() throws InterruptedException {
    semaphore.acquire(); // 获取许可
    try {
        // 访问共享资源
    } finally {
        semaphore.release(); // 释放许可
    }
}

应用场景

  • 数据库连接池管理
  • 限流控制
  • 资源池实现

3. CountDownLatch（倒计时门闩）

允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

基本用法

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 需要等待3个任务完成

// 工作线程
void doWork() {
    // 执行任务
    latch.countDown(); // 计数器减1
}

// 主线程
void main() throws InterruptedException {
    startWorkers(); // 启动3个工作线程
    latch.await();  // 等待所有工作完成
    // 继续后续操作
}

应用场景

  • 并行任务同步
  • 服务启动依赖检查
  • 多线程测试

4. CyclicBarrier（循环屏障）

让一组线程到达一个屏障时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，所有线程才会继续执行。

基本用法

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
    // 所有线程到达屏障后执行的回调
});

void worker() throws Exception {
    // 第一阶段工作
    barrier.await();
    // 第二阶段工作
}

与CountDownLatch的区别

  • 可重复使用（reset）
  • 支持回调函数
  • 所有线程互相等待

5. Future与CompletableFuture

Future

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<String> future = executor.submit(() -> {
    Thread.sleep(1000);
    return "Result";
});

// 阻塞获取结果
String result = future.get();

CompletableFuture（Java 8+）

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenApply(s -> s + " World")
    .thenAccept(System.out::println);

6. 其他实用工具类

  1. Phaser: 更灵活的屏障实现，支持动态调整参与线程数
  2. Exchanger: 两个线程间的数据交换点
  3. LockSupport: 线程阻塞/唤醒的基础工具

最佳实践

  1. 优先使用线程池而非直接创建线程
  2. 合理设置线程池大小（CPU密集型 vs IO密集型）
  3. 注意资源清理，避免线程泄漏
  4. 使用合适的并发工具简化代码
  5. 考虑使用更高层次的并发框架（如Akka、RxJava）

通过合理使用这些并发工具类，可以显著提高多线程程序的可靠性和性能，同时降低开发复杂度。

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