首页手记 Java高并发编程入门教程

Java高并发编程入门教程

标签：

Java

概述

本文深入探讨了Java高并发的基本概念、核心工具类及其应用场景，介绍了线程池、锁机制、并发工具类等关键技术，并提供了丰富的代码示例和优化策略。通过这些内容，读者可以全面了解和掌握Java高并发编程的核心知识和实践方法。

Java高并发基础概念

1.1 什么是高并发

高并发是指系统能够同时处理大量请求的能力，通常用于描述系统在同一时间可以处理多任务的能力。高并发处理可以提高用户体验，减少系统响应时间，使得系统能够更好地适应大规模的用户访问。

1.2 并发与并行的区别

并发和并行都涉及同时处理多个任务，但它们在实现方式和效果上有明显的区别。

并发：多个任务在同一时间间隔内交错执行。操作系统通过任务切换，使得多个任务能在同一时间内交替执行。例如，一个程序在等待I/O操作时，操作系统可以切换到另一个任务，从而提高了CPU的利用率。
并行：多个任务在同一时间点同时执行。这需要多核处理器或多个处理器来实现。例如，多个线程在同一时刻在不同的处理器核心上执行。

1.3 高并发的意义与应用场景

高并发在现代应用程序中具有重要意义，尤其是在分布式系统和大规模在线服务中。以下是一些应用场景：

电子商务网站：在促销活动期间，大量的用户同时访问网站，要求系统能够快速响应和处理请求。
社交网络：实时消息处理、帖子发布和评论等操作，需要支持高并发处理。
金融系统：证券交易、银行转账等操作需要在极短的时间内完成，以保证交易的准确性和实时性。
网络游戏：多人在线游戏需要同时处理大量玩家的输入和输出，保持游戏的流畅体验。

Java高并发的核心工具类

2.1 synchronized关键字详解

synchronized关键字是Java中用于同步代码块和方法的关键工具，它能确保在任何时刻只有一个线程能够执行指定的代码块或方法。synchronized主要通过锁机制来实现线程间的同步。

使用方法：

同步代码块：

public class SynchronizedExample {
private int counter = 0;

public synchronized void increment() {
    counter++;
}

public synchronized void decrement() {
    counter--;
}

public synchronized int getCounter() {
    return counter;
}
}

同步方法：

public class SynchronizedExample {
private int counter = 0;

public synchronized void increment() {
    counter++;
}

public synchronized void decrement() {
    counter--;
}

public synchronized int getCounter() {
    return counter;
}
}

2.2 volatile关键字的使用

volatile关键字确保变量的每次读写操作都直接从主存中加载或写回主存，从而保证了变量在多线程环境中的可见性。但volatile关键字不能防止变量的原子性操作和线程之间的同步。

使用方法：

public class VolatileExample {
    private volatile boolean exit = false;

    public void startExit() {
        exit = true;
    }

    public void checkExit() {
        while (!exit) {
            // Wait until exit is set to true
        }
    }
}

2.3 Java并发容器的介绍与使用

Java提供了一些并发容器，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList和ConcurrentLinkedQueue，它们具有线程安全性，可以在多线程环境中安全使用。

使用方法：

ConcurrentHashMap：


import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

public void addEntry(String key, Integer value) {
    map.put(key, value);
}

public Integer getValue(String key) {
    return map.get(key);
}

}


- **CopyOnWriteArrayList**：
```java
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteArrayListExample {
    private CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public void addElement(String element) {
        list.add(element);
    }

    public void removeElement(String element) {
        list.remove(element);
    }
}

ConcurrentLinkedQueue：


import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentLinkedQueueExample {
private ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

public void enqueue(String element) {
    queue.add(element);
}

public String dequeue() {
    return queue.poll();
}

}


### Java高并发之线程池
线程池是Java中处理并发操作的重要工具之一，它预先创建了一组线程，并将任务提交给线程池进行处理。线程池可以有效管理线程的生命周期，减少线程的创建和销毁开销，提高系统的响应速度。

#### 3.1 线程池的基本概念
线程池的主要组成部分包括线程池的管理器、任务队列、工作线程和任务。

- **管理器**：负责创建线程池和线程。
- **任务队列**：用于存储待处理的任务。
- **工作线程**：实际执行任务的线程。
- **任务**：需要线程池处理的具体任务。

#### 3.2 Executor框架的介绍
`Executor`框架是Java处理异步任务的核心框架，它将任务的提交、执行和结果的处理分离，提供了灵活的线程管理和调度机制。

**主要组件**：
- **Executor**：负责执行提交的任务。
- **ExecutorService**：扩展了`Executor`，增加了管理和关闭线程池的功能。
- **Future**：提供异步任务执行的结果表示。
- **Callable**：类似于`Runnable`，但可以返回结果。

**使用方法**：
```java
import java.util.concurrent.*;

public class ExecutorExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            executorService.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskId + " executing on " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

3.3 自定义线程池配置

使用ThreadPoolExecutor可以自定义线程池的配置参数，如核心线程数、最大线程数、等待队列大小等。

参数说明：

corePoolSize：核心线程数。
maximumPoolSize：最大线程数。
keepAliveTime：线程空闲的等待时间。
unit：等待时间单位。
workQueue：阻塞队列，用于存储等待执行的任务。
threadFactory：线程创建工厂。
handler：饱和策略，当线程池运行的任务数达到最大线程数或队列满时的处理策略。

使用方法：

import java.util.concurrent.*;

public class CustomThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                2, // 核心线程数
                4, // 最大线程数
                30, // 空闲线程等待时间
                TimeUnit.SECONDS, // 空闲线程等待时间单位
                new LinkedBlockingQueue<>(5), // 任务等待队列
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 饱和策略
        );

        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            final int taskId = i;
            Runnable task = () -> {
                System.out.println("Task " + taskId + " executing on " + Thread.currentThread().getName());
            };
            executor.execute(task);
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

Java高并发之锁机制

Java提供了多种锁机制，如ReentrantLock和ReadWriteLock，它们比synchronized提供了更多的灵活性和功能。

4.1 ReentrantLock的使用方法

ReentrantLock是synchronized的关键字的替代品，提供了比synchronized更灵活的锁机制。它支持可中断锁，公平锁和非公平锁等多种特性。

使用方法：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void lockMethod() {
        try {
            lock.lock();
            // 业务逻辑处理
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4.2 读写锁ReadWriteLock的应用

ReadWriteLock提供了读写分离的机制，允许多个读操作同时进行，但在写操作时会锁住所有的读操作和写操作。

使用方法：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();
    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();
    private volatile int counter = 0;

    public void increment() {
        writeLock.lock();
        try {
            counter++;
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() {
        writeLock.lock();
        try {
            counter--;
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public int getValue() {
        readLock.lock();
        try {
            return counter;
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
}

4.3 公平锁与非公平锁的区别与使用场景

公平锁：所有等待的线程按照等待的顺序来获取锁。适用于需要公平等待的场景，如银行排队系统。
非公平锁：允许抢占，增加了锁的获取速度。适用于性能优先的场景，如搜索引擎的索引更新。

使用方法：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairNonFairLockExample {
    private final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    private final ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(false);

    public void fairLockMethod() {
        fairLock.lock();
        try {
            // 业务逻辑处理
            System.out.println("Fair lock acquired");
        } finally {
            fairLock.unlock();
        }
    }

    public void nonFairLockMethod() {
        nonFairLock.lock();
        try {
            // 业务逻辑处理
            System.out.println("Non-fair lock acquired");
        } finally {
            nonFairLock.unlock();
        }
    }
}

Java高并发之并发工具类

并发工具类是Java并发编程中的重要工具，能帮助开发者更好地管理和控制并发操作。

5.1 CountDownLatch的应用场景与使用

CountDownLatch是一个同步辅助工具类，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。

使用方法：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {
    private static final int THREAD_COUNT = 5;
    private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

    public void countdownLatch() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            newThread();
        }
        latch.await();
        System.out.println("All tasks completed");
    }

    private void newThread() {
        new Thread(() -> {
            // 模拟任务执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.countDown();
        }).start();
    }
}

5.2 CyclicBarrier的使用方法

CyclicBarrier是一个同步辅助工具类，允许一组线程互相等待，直到所有线程到达一个屏障点，然后继续执行。

使用方法：

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {
    private static final int THREAD_COUNT = 5;
    private CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(THREAD_COUNT);

    public void cyclicBarrier() {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            newThread();
        }
        try {
            barrier.await();
            System.out.println("All tasks completed");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void newThread() {
        new Thread(() -> {
            // 模拟任务执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

5.3 Semaphore的使用技巧

Semaphore是一个信号量，用于控制同时访问某一资源的线程数量。它可以模拟有限资源池的情况，如数据库连接池。

使用方法：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public void acquireResource() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();
        try {
            // 业务逻辑处理
            Thread.sleep(1000);
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    example.acquireResource();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

Java高并发编程实践

6.1 并发编程中的常见问题及其解决方案

在并发编程中，经常会遇到一些常见的问题，包括死锁、线程安全、竞态条件等。

死锁：
死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放资源的情况。常见的解决方法包括超时获取锁、锁的顺序控制等。

线程安全：
线程安全是指某个程序、应用或者库在多线程环境下被访问，不会产生错误的结果。常见的解决方案包括使用synchronized关键字、volatile关键字、ReentrantLock和Atomic类等。

竞态条件：
竞态条件是指多个线程同时访问同一个共享资源且至少有一个线程修改了该共享资源，从而导致结果不确定的情况。解决方法包括使用同步机制、原子操作等。

代码示例：

public class DeadlockExample {
    private static Object lock1 = new Object();
    private static Object lock2 = new Object();

    public void method1() {
        synchronized (lock1) {
            // 业务逻辑处理
            Thread.sleep(1000);
            synchronized (lock2) {
                // 业务逻辑处理
            }
        }
    }

    public void method2() {
        synchronized (lock2) {
            // 业务逻辑处理
            Thread.sleep(1000);
            synchronized (lock1) {
                // 业务逻辑处理
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadlockExample example = new DeadlockExample();
        new Thread(example::method1).start();
        new Thread(example::method2).start();
    }
}

public class ThreadSafetyExample {
    private volatile int counter = 0;

    public void increment() {
        counter++;
    }

    public void decrement() {
        counter--;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadSafetyExample example = new ThreadSafetyExample();
        Runnable task = () -> {
            example.increment();
            example.decrement();
        };
        new Thread(task).start();
    }
}

public class RaceConditionExample {
    private int counter = 0;

    public void increment() {
        counter++;
    }

    public void decrement() {
        counter--;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public static void main(String[] args) {
        RaceConditionExample example = new RaceConditionExample();
        Runnable task = () -> {
            example.increment();
            example.decrement();
        };
        new Thread(task).start();
    }
}

6.2 高并发环境下的性能优化策略

在高并发环境下，性能优化是非常重要的。以下是一些常见的性能优化策略：

减少锁的粒度：尽量将锁的范围缩小到最小，以减少锁的持有时间。
使用并发容器：使用并发容器来替代传统的集合容器，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。
异步处理：通过异步处理减少同步操作的时间，提高系统响应速度。
缓存：使用缓存减少对数据库等慢速资源的访问次数。
负载均衡：将请求分散到多个服务器或线程池，避免单点过载。
数据库优化：优化查询语句和索引，减少数据库访问延迟。

6.3 实战案例分析

为了更好地理解如何在实际工程中应用高并发编程技术，下面通过一个简单的案例来演示如何优化一个高并发的系统。

案例场景：假设有一个在线订单系统，需要在用户下单时保证订单的唯一性和并发安全。

原始代码：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class OrderService {
    private static final AtomicInteger orderId = new AtomicInteger(1);
    private final Object lock = new Object();

    public synchronized void createOrder(User user) {
        int orderIdValue = orderId.getAndIncrement();
        System.out.println("User " + user.getName() + " created order " + orderIdValue);
    }

    public static void main(String[] args) {
        OrderService service = new OrderService();
        User user1 = new User("User1");
        User user2 = new User("User2");

        Thread t1 = new Thread(() -> service.createOrder(user1));
        Thread t2 = new Thread(() -> service.createOrder(user2));

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

优化方案：
通过使用AtomicInteger和ConcurrentHashMap来改进代码，提高并发性能。

优化后的代码：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class OptimizedOrderService {
    private static final AtomicInteger orderId = new AtomicInteger(1);
    private final ConcurrentHashMap<Integer, User> orders = new ConcurrentHashMap<>();

    public void createOrder(User user) {
        int orderIdValue = orderId.getAndIncrement();
        orders.putIfAbsent(orderIdValue, user);
        System.out.println("User " + user.getName() + " created order " + orderIdValue);
    }

    public static void main(String[] args) {
        OptimizedOrderService service = new OptimizedOrderService();
        User user1 = new User("User1");
        User user2 = new User("User2");

        Thread t1 = new Thread(() -> service.createOrder(user1));
        Thread t2 = new Thread(() -> service.createOrder(user2));

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

User 类：

public class User {
    private String name;

    public User(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

在这个案例中，我们使用了AtomicInteger来保证订单ID的唯一性和线程安全性，同时使用了ConcurrentHashMap来处理并发环境下的订单存储问题。这种优化方式能够提高系统的并发性能和响应速度，适合于高并发场景。

通过这个案例，我们展示了如何在实际工程中应用高并发编程技术来优化系统性能，更好地支持高并发场景。

点击查看更多内容

为 TA 点赞

若觉得本文不错，就分享一下吧！

评论

评论

共同学习，写下你的评论

评论加载中...

展开查看更多评论

作者其他优质文章

正在加载中

倚天杖

手记
篇

粉丝

47

获赞与收藏

187

关注作者，订阅最新文章

阅读免费教程

Java并发工具

23个小节 19264 315

Java 并发原理入门教程

26个小节 38992 568

Java 入门教程

50个小节 341849 3163

推荐

评论

收藏

共同学习，写下你的评论



感谢您的支持，我会继续努力的～

扫码打赏，你说多少就多少

赞赏金额会直接到老师账户

支付方式

打开微信扫一扫，即可进行扫码打赏哦

今天注册有机会得

100积分直接送

付费专栏免费学

大额优惠券免费领

立即参与放弃机会

点击
抽奖

慕课手记新用户专享福利

恭喜你，你的运气太好了，居然抽中了 100个积分！

恭喜你，抽中了价值元的专栏！

太棒了，直接落到你账户里！

积分商城里的罗技鼠标、机械键盘、
Kindle 阅读器、小米平衡车
Apple iPad （10.2英寸）、大额优惠券
在等着你去兑换了噢

作者：

免费赠送

兑换码：1111222211 复制

优惠券可用于购买实战课、体系课
无门槛使用

先去看看，有什么好东西马上兑换我爱学习，选课去


热搜

最近搜索清空

Java高并发编程入门教程

Java高并发基础概念

1.1 什么是高并发

1.2 并发与并行的区别

1.3 高并发的意义与应用场景

Java高并发的核心工具类

2.1 synchronized关键字详解

2.2 volatile关键字的使用

2.3 Java并发容器的介绍与使用

3.3 自定义线程池配置

Java高并发之锁机制

4.1 ReentrantLock的使用方法

4.2 读写锁ReadWriteLock的应用

4.3 公平锁与非公平锁的区别与使用场景

Java高并发之并发工具类

5.1 CountDownLatch的应用场景与使用

5.2 CyclicBarrier的使用方法

5.3 Semaphore的使用技巧

Java高并发编程实践

6.1 并发编程中的常见问题及其解决方案

6.2 高并发环境下的性能优化策略

6.3 实战案例分析

阅读免费教程