并发编程模式和技术

在并发编程中，存在许多模式和技术用于解决并发执行的问题和挑战。这些模式和技术提供了结构化和可重用的方法来实现高效、可伸缩和线程安全的应用程序。

并发集合类

并发集合类是一组线程安全的数据结构，可用于多个线程同时访问和修改共享的数据。这些集合类提供了对数据的并发访问操作，并提供了一些原子性的操作方法。

常见的并发集合类包括：

  • ConcurrentHashMap：线程安全的哈希表实现，支持高并发的读写操作。

  • ConcurrentLinkedQueue：线程安全的无界队列实现，支持高并发的添加和移除操作。

  • ConcurrentSkipListSet：线程安全的有序集合实现，支持高并发的添加、移除和检索操作。

这些并发集合类提供了高效的线程安全访问，避免了手动同步和加锁的复杂性。

Executor框架

Executor框架是Java提供的一种高级并发编程模式，用于管理和调度多个异步任务。它提供了一组接口和类，简化了线程的创建、管理和调度。

Executor框架的核心接口是Executor，它定义了一个执行任务的标准接口。常见的Executor接口的实现类包括：

  • ThreadPoolExecutor：线程池的实现类，管理和复用线程，支持异步执行任务。

  • ScheduledThreadPoolExecutor：带有调度功能的线程池实现类，支持按计划执行任务。

通过使用Executor框架，可以将任务的提交和执行进行解耦，提高系统的性能和资源利用率。

线程池

线程池是一种重用线程的机制，可以管理和调度多个线程，减少线程的创建和销毁开销。线程池可以通过限制线程的数量和管理线程的生命周期来提高系统的性能和响应能力。

Java提供了ThreadPoolExecutor类来实现线程池。ThreadPoolExecutor可以配置线程的数量、任务队列、拒绝策略等参数，以满足不同的应用需求。

使用线程池可以避免频繁地创建和销毁线程，减少系统资源的消耗。同时，线程池还提供了线程的复用和调度功能，可以更好地管理和控制并发任务的执行。

Callable和Future

Callable和Future是Java提供的一对接口，用于执行带有返回值的任务。Callable接口定义了任务的执行逻辑，而Future接口表示一个异步计算的结果。

使用Callable和Future可以实现异步执行任务并获取结果的能力。通过提交Callable任务给Executor框架，可以返回一个Future对象，通过Future对象可以获取任务的执行结果，也可以取消任务的执行。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
Callable<Integer> task = () -> {
    // 执行任务逻辑
    return 42;
};
Future<Integer> future = executor.submit(task);
Integer result = future.get(); // 获取任务的结果

Callable和Future提供了更灵活的任务执行方式，可以处理带有返回值的任务和对任务的控制。

并行计算

并行计算是指多个任务同时执行以提高系统性能和处理能力。并行计算可在大量数据处理、科学计算、图像处理等领域发挥重要作用。

Java提供了Fork/Join框架用于实现并行计算。Fork/Join框架将任务分解为更小的子任务，子任务通过递归的方式执行，最终将结果合并得到最终结果。

Fork/Join框架通过Work-Stealing算法来提高任务的负载均衡和性能。在Work-Stealing算法中，空闲的线程会主动从其他线程的任务队列中偷取任务执行。

class MyRecursiveTask extends RecursiveTask<Integer> {
    // 执行任务逻辑
    protected Integer compute() {
        if (任务足够小) {
            // 执行任务
        } else {
            // 拆分子任务
            MyRecursiveTask subtask1 = new MyRecursiveTask(...);
            MyRecursiveTask subtask2 = new MyRecursiveTask(...);
            subtask1.fork();
            subtask2.fork();
            // 合并结果
            return subtask1.join() + subtask2.join();
        }
    }
}

Fork/Join框架提供了一种高效的方式来实现并行计算，能够充分利用多核处理器的能力。

信号量和倒计数器

信号量（Semaphore）和倒计数器（CountDownLatch）是用于线程同步和通信的高级并发工具。

信号量是一种计数器，用于控制同时访问共享资源的线程数量。信号量可以控制资源的访问权限，允许多个线程同时访问资源，或者限制只有一个线程访问资源。

倒计数器是一种计数器，用于等待一组线程完成任务。倒计数器初始化一个计数值，当计数值减为0时，等待的线程可以继续执行。

通过使用信号量和倒计数器，可以实现更复杂的线程协作和任务调度。