Java中的并发工具及框架

并发工具类

CountDownLatch

允许一个或多个线程等待其他线程完成操作，比传统的join机制更好。
其构造函数接收一个int类型的参数作为计数器（初始化后无法改变该值），即要等待的线程数量（也可以是一个线程的多个执行步骤）。每次调用countDown都会使计数器减一，await()方法会一直阻塞当前线程知道计数器归零，同时该方法也提供超时机制。

CyclicBarrier同步屏障

所有线程都会止步于一个屏障（同步点），直到最后一个线程也抵达屏障才会放行。默认构造器参数为拦截线程数，线程调用await()方法表明已经抵达屏障。同时提供重载构造器接收Runnable任务，当线程抵达屏障后会先去执行该任务。
计数器可以使用reset()重置，如果计算错误可以重新算一遍，还提供了诸如getNumberWaiting()获得阻塞线程数量，isBroken()是否被中断。

Semaphore信号量

用于控制同时访问特定资源的线程数量，用于流量控制，如数据库连接。
构造方法参数为并发数量，线程中调用semaphore.acquire()获得并行许可，使用release()释放许可

Exchanger

用于线程间的数据交换。它提供一个同步点，两个线程可以交换彼此的数据，通过exchange()方法进行数据的交换。当一个线程首先执行该方法，会等待第二个线程也执行该方法，当两线程都达到同步点时，可以将本线程生产的数据传递给对方。提供超时机制。
应用场景为：遗传算法、校对工作

并发框架

Fork/Join框架

并行执行任务框架，用于将大任务分割成若干小任务，再汇总小任务结果得到大任务结果。
设计思路

分割任务。一个fork类将大任务分割成足够小的小任务
合并结果。子任务放在双端队列中，每次添加到队首，启动几个线程进行执行，若某些线程执行速度快会进行工作窃取，从其他工作线程队列尾部获取任务执行，所有结果放在一个队列中由专门的线程合并结果。

ForkJoinTask的子类RecursiveAction用于无返回结果的任务，RecursiveTask用于有返回值的任务
ForkJoinPool用来执行ForkJoinTask

forkJoinPool.submit()执行总任务,返回一个Future结果；
countTask.fork()开始执行子任务，进入子任务的compute方法，使用countTask.join拿到子任务返回的结果

该框架使用isCompletedAbnormally()检测任务是否已经抛出异常或被取消，使用gerException()方法获取抛出的异常，若没有异常或未完成返回null

实现原理
fork()会调用ForkJoinWorkerThread.pushTask()异步执行该任务并立即返回结果，pushTask()把当前任务存放在ForkJoinTask数组队列里再调用ForkJoinPool的SignalWork()方法唤醒或新建一个工作线程执行任务。
join主要是阻塞当前线程并等待获取结果。它调用doJoin()方法得到当前任务状态来判断返回什么结果

已完成：直接返回结果
被取消：抛出取消异常
信号
出现异常：抛出对应异常

doJoin()先查看任务状态是否已经完成，完成返回状态；没执行完从任务数组里取出任务并执行。

Executor

Executor执行器提供Runnable对象的管理，使用线程池有以下三种好处：

重复利用已创建的线程，降低资源消耗
无需等待线程创建后执行任务，提高响应速度
统一分配、调优、监控，提高可管理性

提交任务给线程池时，其工作处理流程如下：

判断核心线程池是否已满，若未满，则创建线程处理任务；
若核心池已满，将任务加入到阻塞队列中；
若阻塞队列已满，无法加入，则创建新线程处理任务；
若创建新线程使线程数大于线程池最大容量，拒绝任务并抛出异常。

线程池的创建

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
exec.execute(new Runnable());

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
newFixedThreadPool创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
不建议使用Executors创建线程池，可能会产生以下两个问题

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor队列中可能会有过多的等待处理的事物，占用很多空间，可能产生OOM
newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool线程最大数量为Integer.MAX_VALUE，可能会产生很多的线程，造成OOM

建议手动创建线程池，使用构造器

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

在这里插入图片描述

线程池的使用

通过execute()和submit()方法提交任务，其中前者提交无返回值任务，后者提交有返回值任务，见下方Callable。

线程池的关闭

shtudown()和shutdownNow()用来关闭线程池，实现方式是遍历线程调用interrupt，区别是前者不在接收新任务，继续执行正在执行的任务；后者不再接收新任务，终止正在执行的任务，返回等待任务列表。

线程池的监控

taskCount：线程池需要执行的任务数量
completedTaskCount：线程池运行过程中已完成任务数量，小于等于taskCount
largestPoolSize：线程池曾经创建过的最大线程数量
getPoolSize：线程池线程数量
getActiveCount：活动的线程数
继承线程池自定义线程池，重写空方法beforeExecute()、afterExecute()、terminated方法。

Callable

Callable接口与Runnable的区别在于前者拥有返回值，实现该接口实现call()方法。该接口对象必须与线程池的executorService.submit()方法绑定:executorService.submit(new Callable()),返回一个Future对象，可以提前使用它，但只有计划任务完成后改对象才有具体的结果，若还未完成就调用get()取值使用，将进入阻塞直到计划任务完成，或者使用isDone()检查是否完成。