Java并发工具包对并发编程的优化

史广

摘要：随着Java并发（concurrem）工具包的推出，并发程序的开发方式得到了极大的优化。较之以往的多线程设计机制，论文从四个方面深入探讨了并发（conCurrent）工具包是如何提升并发编程效能的。

关键词：并发；多线程；java

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2016.08.025

中图分类号：TP311

文献标识码：A

文章编号：1671-1580（2016）08-0078-04

在JDKl.5出现之后，Sun推出了并发（concur-rent）工具包以简化并发编程，它为开发者提供了更为实用的并发程序模型，使得编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序更为容易。

一、简化了线程的管理，提升了线程的执行效能

在JDKl.5之前，使用newThread（）方式定义线程，需要考虑线程的创建、结束和结果的获取等诸多细节。尤其在需要很多线程时，线程的管理就会变得比较困难。不仅如此，使用newThread（）方式定义线程，在时间和空间效率方面都存在不足。比如，定义好的线程不能重复利用；每次使用线程都需要向系统申请资源重新创建。另外，线程的创建和启动都需要一定的时间，这也会影响程序执行效率。

线程池（ThreadPool）是并发（Concurrent）工具包中引入的机制，它对以上问题进行了很好的优化。线程池通过一个缓存池的空间预先创建了一部分线程，在我们需要使用的时候就从里面直接将线程资源取出来使用。在线程使用完毕之后，线程池可以将线程回收进行重复利用。因此，在对性能要求较高或线程请求较多的情况下，线程池是一个很理想的选择。

上述程序创建了一个可缓存线程池（cachedThread Pool）：只需通过循环的方式，便可把想要完成的任务数量传递给线程池，线程池会创建尽可能多的必须线程来并行执行。一旦前面的线程执行结束后可以被重复使用。

除了可缓存线程池（cached Thread Pool），定长线程池（Fix Thread Pool）可以创建固定数量的线程。在线程都被使用之后，后续申请使用的线程都会被阻塞。如果我们将上述代码中的new.CachedThreadPool改为newFixedThreadPool（2），括号中的数字2，表示创建了两个线程。下面的代码不变，则相等于把5个任务交给两个线程来完成。这就意味着，每一个线程完成一次任务后，并不会就此消逝，而是继续完成剩下的任务，直到所有任务完成。可见线程池确实简化了线程的管理，提升了线程的执行效能

二、强化了对多线程并发的控制能力。简化了控制线程间协调合作的方法

在并发（concurrent）工具包中，包含了一些同步辅助类，使得开发者能够更加轻松的对多线程进行协调控制，丰富了多个线程间协作的方式。下面我们以闭锁（countDownLatch）和信号量（sema-phore）为例进行说明。

1.闭锁（countDownLatch）是一个并发构造，它允许一个或多个线程等待一系列指定操作的完成。闭锁（CountDownLatch）以一个给定的计数初始化，每调用一次countDown（），这一数量就减一，然后通过调用await（）方法，将阻塞线程，使其等待直到计数到达零。

在主方法中，除t1和t2线程外，还有语句“Sys.tern.out.println（“HelloWorld”）”所在的主线程，三个线程本来没有执行的先后顺序，但是如果运行代码，会发现主线程只在t1和t2完成后，才会执行。这就是因为我们对线程执行的顺序进行了人工干预，await（）方法会一直阻塞主线程，直到countDown（）方法将计数倒数至0。

2.信号量（Semaphore），有时被称为信号灯，它负责协调各个线程，以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。信号量可以控制某个资源可被同时访问的个数，拿到信号量的线程可以进入代码，否则就等待，通过acquire（）和release（）获取和释放访

从上面代码中看出线程执行的任务是连接数据库。当线程成功连接数据库两秒后，连接将自动断开。重要的是，由于服务器资源有限，在给定时间内，可以提供的连接数必须受到严格控制。如果此时有200个线程同时访问数据库资源，但服务器在同一时问内只提供10个连接端口，这种情况就需要信号量来实现对线程的有效管控。

在上述代码中，将信号量定义为10，每条线程在进行数据库连接时，必须首先通过acquire（）获得信号，并且在断开数据库连接后，通过release（）释放获得的信号，以便其他线程获取。也就是说，虽然有200个线程同时想要进行数据库连接，但是在同一时间内，只能有10个线程获得信号来并发执行。可以看出，信号量的应用，丰富了我们对线程的管控方式，也简化了操作过程。

三、提供了多个具有线程安全性的类

在iaval.5出现之前，多线程访问共享数据时造成的数据访问冲突问题，往往需要耗费程序员大量时间进行调试规避。但是在并发（Concurrent）工具包中，提供的很多类本身就是线程安全的，这样大大简化了并发编程的难度。比如前文中提到的闭锁就是一个线程安全类。在闭锁的示例代码中，对象latch被两条线程并发共享，且没有synchronized关键字锁定，但程序并不会出现访问冲突。除Count.DownLatch以外，阻塞队列（BlockingQueue）的线程安全性也为开发并发程序带来了极大方便。

在经典的“生产者”（producer）和“消费者”（con-sumer）模型中，通过队列可以很便利地实现两者之问的数据共享。但是，在生产者和消费者数据处理速度不匹配，且生产者产出数据的速度远大于消费者消费速度的情况下，生产者必须在数据累积到一定程度时暂停下来（阻塞生产者线程），以便消费者线程把累积的数据处理完毕。然而，在并发（concur-rent）工具包发布以前，开发者不仅需要考虑所有上述细节，还要兼顾效率和线程安全，开发的复杂度可见一斑。阻塞队列很好地解决了如何在“生产者”（producer）和“消费者”（consumer）之间高效安全“传输”数据的问题。阻塞队列是一个高效并且线程安全的队列类，它为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。

上面是一个典型的“生产者”（producer）和“消费者”（consumer）模型，生产者和消费者共享阻塞队列queue。生产者的生产速度远大于消费者，因为消费者每取出一个数据需要等待100毫秒。幸运的是，阻塞队列首先是一个线程安全队列，其次，当生产者将队列长度填充到10时，put（）方法会进入等待状态，同理，当队列长度缩减到0时take（）也会进行等待。这就使得使用阻塞队列开发多线程常见模型的复杂度大大降低。

四、针对并发程序可能引起的死锁问题给出了更为便捷的解决方案

当线程需要同时获得多个互斥锁才可运行时，如果有多条线程并行且获取互斥锁的顺序不同，就可能引发死锁（DeadLock）现象。

在并发（concurrent）工具包中，引入了重入锁（Re-entrantlock）。重入锁的基本原理和synchronized语句块相似，都是通过加互斥锁的方式限定线程的行为，它们的第一个不同点在于，首先当需要加一个以上的互斥锁时，使用Reentrant lock避免了像synchronized语句块一样的嵌套。更为重要的是，re-entrant lock有tryLock（）功能，它使得线程在需要同时获得多个互斥锁的情况下，具备了更加灵活的应对机制。

上述代码中，acquireLocks（）方法的作用就是帮助线程分别获得两个互斥锁，当只获得一个，另一个获取失败的情况下，由于tryLock（）方法的作用，使得程序可以在此情况下，放弃已经获得的互斥锁，以便其它线程同时获取。这也就很巧妙的避免了死锁现象的出现。

五、结语

并发（concurrent）工具包的推出，使得原来很麻烦的并发处理得以轻松完成，它实现了很多{avathread原生API很费时才能实现的功能。并发（Con.current）工具包的优点可以概括为：简化了线程的管理，提升了线程的执行效能；强化了对多线程并发的控制能力，简化了控制线程问协调合作的方法；提供了多个具有线程安全性的类；针对并发程序可能引起的死锁等问题给出了更为便捷的解决方案。当然，随着iava语言的发展，我们相信新的工具包还会不断更新，来满足日益繁杂的开发需求。