Java并發工具包對并發編程的優化

史廣

摘要：隨著Java并發（concurrem）工具包的推出，并發程序的開發方式得到了極大的優化。較之以往的多線程設計機制，論文從四個方面深入探討了并發（conCurrent）工具包是如何提升并發編程效能的。

關鍵詞：并發；多線程；java

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2016.08.025

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2016）08-0078-04

在JDKl.5出現之后，Sun推出了并發（concur-rent）工具包以簡化并發編程，它為開發者提供了更為實用的并發程序模型，使得編寫高效、易維護、結構清晰的Java多線程程序更為容易。

一、簡化了線程的管理，提升了線程的執行效能

在JDKl.5之前，使用newThread（）方式定義線程，需要考慮線程的創建、結束和結果的獲取等諸多細節。尤其在需要很多線程時，線程的管理就會變得比較困難。不僅如此，使用newThread（）方式定義線程，在時間和空間效率方面都存在不足。比如，定義好的線程不能重復利用；每次使用線程都需要向系統申請資源重新創建。另外，線程的創建和啟動都需要一定的時間，這也會影響程序執行效率。

線程池（ThreadPool）是并發（Concurrent）工具包中引入的機制，它對以上問題進行了很好的優化。線程池通過一個緩存池的空間預先創建了一部分線程，在我們需要使用的時候就從里面直接將線程資源取出來使用。在線程使用完畢之后，線程池可以將線程回收進行重復利用。因此，在對性能要求較高或線程請求較多的情況下，線程池是一個很理想的選擇。

上述程序創建了一個可緩存線程池（cachedThread Pool）：只需通過循環的方式，便可把想要完成的任務數量傳遞給線程池，線程池會創建盡可能多的必須線程來并行執行。一旦前面的線程執行結束后可以被重復使用。

除了可緩存線程池（cached Thread Pool），定長線程池（Fix Thread Pool）可以創建固定數量的線程。在線程都被使用之后，后續申請使用的線程都會被阻塞。如果我們將上述代碼中的new.CachedThreadPool改為newFixedThreadPool（2），括號中的數字2，表示創建了兩個線程。下面的代碼不變，則相等于把5個任務交給兩個線程來完成。這就意味著，每一個線程完成一次任務后，并不會就此消逝，而是繼續完成剩下的任務，直到所有任務完成?？梢娋€程池確實簡化了線程的管理，提升了線程的執行效能

二、強化了對多線程并發的控制能力。簡化了控制線程間協調合作的方法

在并發（concurrent）工具包中，包含了一些同步輔助類，使得開發者能夠更加輕松的對多線程進行協調控制，豐富了多個線程間協作的方式。下面我們以閉鎖（countDownLatch）和信號量（sema-phore）為例進行說明。

1.閉鎖（countDownLatch）是一個并發構造，它允許一個或多個線程等待一系列指定操作的完成。閉鎖（CountDownLatch）以一個給定的計數初始化，每調用一次countDown（），這一數量就減一，然后通過調用await（）方法，將阻塞線程，使其等待直到計數到達零。

在主方法中，除t1和t2線程外，還有語句“Sys.tern.out.println（“HelloWorld”）”所在的主線程，三個線程本來沒有執行的先后順序，但是如果運行代碼，會發現主線程只在t1和t2完成后，才會執行。這就是因為我們對線程執行的順序進行了人工干預，await（）方法會一直阻塞主線程，直到countDown（）方法將計數倒數至0。

2.信號量（Semaphore），有時被稱為信號燈，它負責協調各個線程，以保證它們能夠正確、合理的使用公共資源。信號量可以控制某個資源可被同時訪問的個數，拿到信號量的線程可以進入代碼，否則就等待，通過acquire（）和release（）獲取和釋放訪

從上面代碼中看出線程執行的任務是連接數據庫。當線程成功連接數據庫兩秒后，連接將自動斷開。重要的是，由于服務器資源有限，在給定時間內，可以提供的連接數必須受到嚴格控制。如果此時有200個線程同時訪問數據庫資源，但服務器在同一時問內只提供10個連接端口，這種情況就需要信號量來實現對線程的有效管控。

在上述代碼中，將信號量定義為10，每條線程在進行數據庫連接時，必須首先通過acquire（）獲得信號，并且在斷開數據庫連接后，通過release（）釋放獲得的信號，以便其他線程獲取。也就是說，雖然有200個線程同時想要進行數據庫連接，但是在同一時間內，只能有10個線程獲得信號來并發執行?？梢钥闯?，信號量的應用，豐富了我們對線程的管控方式，也簡化了操作過程。

三、提供了多個具有線程安全性的類

在iaval.5出現之前，多線程訪問共享數據時造成的數據訪問沖突問題，往往需要耗費程序員大量時間進行調試規避。但是在并發（Concurrent）工具包中，提供的很多類本身就是線程安全的，這樣大大簡化了并發編程的難度。比如前文中提到的閉鎖就是一個線程安全類。在閉鎖的示例代碼中，對象latch被兩條線程并發共享，且沒有synchronized關鍵字鎖定，但程序并不會出現訪問沖突。除Count.DownLatch以外，阻塞隊列（BlockingQueue）的線程安全性也為開發并發程序帶來了極大方便。

在經典的“生產者”（producer）和“消費者”（con-sumer）模型中，通過隊列可以很便利地實現兩者之問的數據共享。但是，在生產者和消費者數據處理速度不匹配，且生產者產出數據的速度遠大于消費者消費速度的情況下，生產者必須在數據累積到一定程度時暫停下來（阻塞生產者線程），以便消費者線程把累積的數據處理完畢。然而，在并發（concur-rent）工具包發布以前，開發者不僅需要考慮所有上述細節，還要兼顧效率和線程安全，開發的復雜度可見一斑。阻塞隊列很好地解決了如何在“生產者”（producer）和“消費者”（consumer）之間高效安全“傳輸”數據的問題。阻塞隊列是一個高效并且線程安全的隊列類，它為我們快速搭建高質量的多線程程序帶來極大的便利。

上面是一個典型的“生產者”（producer）和“消費者”（consumer）模型，生產者和消費者共享阻塞隊列queue。生產者的生產速度遠大于消費者，因為消費者每取出一個數據需要等待100毫秒。幸運的是，阻塞隊列首先是一個線程安全隊列，其次，當生產者將隊列長度填充到10時，put（）方法會進入等待狀態，同理，當隊列長度縮減到0時take（）也會進行等待。這就使得使用阻塞隊列開發多線程常見模型的復雜度大大降低。

四、針對并發程序可能引起的死鎖問題給出了更為便捷的解決方案

當線程需要同時獲得多個互斥鎖才可運行時，如果有多條線程并行且獲取互斥鎖的順序不同，就可能引發死鎖（DeadLock）現象。

在并發（concurrent）工具包中，引入了重入鎖（Re-entrantlock）。重入鎖的基本原理和synchronized語句塊相似，都是通過加互斥鎖的方式限定線程的行為，它們的第一個不同點在于，首先當需要加一個以上的互斥鎖時，使用Reentrant lock避免了像synchronized語句塊一樣的嵌套。更為重要的是，re-entrant lock有tryLock（）功能，它使得線程在需要同時獲得多個互斥鎖的情況下，具備了更加靈活的應對機制。

上述代碼中，acquireLocks（）方法的作用就是幫助線程分別獲得兩個互斥鎖，當只獲得一個，另一個獲取失敗的情況下，由于tryLock（）方法的作用，使得程序可以在此情況下，放棄已經獲得的互斥鎖，以便其它線程同時獲取。這也就很巧妙的避免了死鎖現象的出現。

五、結語

并發（concurrent）工具包的推出，使得原來很麻煩的并發處理得以輕松完成，它實現了很多{avathread原生API很費時才能實現的功能。并發（Con.current）工具包的優點可以概括為：簡化了線程的管理，提升了線程的執行效能；強化了對多線程并發的控制能力，簡化了控制線程問協調合作的方法；提供了多個具有線程安全性的類；針對并發程序可能引起的死鎖等問題給出了更為便捷的解決方案。當然，隨著iava語言的發展，我們相信新的工具包還會不斷更新，來滿足日益繁雜的開發需求。