Java多線程進階（一）—— J.U.C併發包概述

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J.U.C包簡介

J.U.C併發包，即java.util.concurrent包，是JDK的核心工具包，是JDK1.5以後，由 Doug Lea實現並引入。

整個java.util.concurrent包，按照功能能夠大體劃分以下：

• juc-locks 鎖框架
• juc-atomic 原子類框架
• juc-sync 同步器框架
• juc-collections 集合框架
• juc-executors 執行器框架

本系列將按上述順序分析J.U.C，分析所基於的源碼爲Oracle JDK1.8.0_111。

主要參考書籍：

• 《Java Concurrency in Practice》 Brian Goetz等
• 《JAVA多線程設計模式》 結城 浩

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juc-locks 鎖框架

早期的JDK版本中，僅僅提供了synchronizd、wait、notify等等比較底層的多線程同步工具，開發人員若是須要開發複雜的多線程應用，一般須要基於JDK提供的這些基礎工具進行封裝，開發本身的工具類。JDK1.5+後，Doug Lea根據一系列常見的多線程設計模式，設計了JUC併發包，其中java.util.concurrent.locks包下提供了一系列基礎的鎖工具，用以對synchronizd、wait、notify等進行補充、加強。

java.util.concurrent.locks包的結構以下：

包內接口和類的簡單UML圖以下：

本部分包含如下文章：

• J.U.C之locks框架（1）：接口說明
• J.U.C之locks框架（2）：ReentrantLock 的使用
• J.U.C之locks框架（3）：ReentrantReadWriteLock 的使用
• J.U.C之locks框架（4）：LockSupport 工具類
• J.U.C之locks框架（5）：AbstractQueuedSynchronizer 綜述
• J.U.C之locks框架（6）：AbstractQueuedSynchronizer 的獨佔功能原理
• J.U.C之locks框架（7）：Condition 原理
• J.U.C之locks框架（8）：AbstractQueuedSynchronizer 的共享功能原理
• J.U.C之locks框架（9）：ReentrantReadWriteLock 原理
• J.U.C之locks框架（10）：更強的讀寫鎖——StampedLock

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juc-atomic 原子類框架

早期的JDK版本中，若是要併發的對Integer、Long、Double之類的Java原始類型或引用類型進行操做，通常都須要經過鎖來控制併發，以防數據不一致。

從JDK1.5開始，引入了java.util.concurrent.atomic工具包，該包提供了許多Java原始/引用類型的映射類，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean，這些類能夠經過一種「無鎖算法」，線程安全的操做Integer、Long、Boolean等原始類型。

所謂「無鎖算法」，咱們在講juc-locks鎖框架系列中，已經接觸過太屢次了，其實底層就是經過Unsafe類實現的一種比較並交換的算法，大體的結構以下（具體入參，根據上下文有所不一樣）：
boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);
當但願修改的值與expectedValue相同時，則嘗試將值更新爲updateValue，更新成功返回true，不然返回false。

java.util.concurrent.atomic包結構以下：

包內類的簡單UML圖以下：

本部分包含如下文章：

• J.U.C之atomic框架（1）：Unsafe類
• J.U.C之atomic框架（2）：AtomicInteger
• J.U.C之atomic框架（3）：AtomicReference
• J.U.C之atomic框架（4）：Atomic數組
• J.U.C之atomic框架（5）：AtomicXXXFieldUpdater
• J.U.C之atomic框架（6）：更強的原子類——LongAdder

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juc-sync 同步器框架

這裏的juc-sync同步器框架，是指java.util.concurrent包下一些輔助同步器類，每一個類都有本身適合的使用場景：

同步器名稱	做用
CountDownLatch	倒數計數器，構造時設定計數值，當計數值歸零後，全部阻塞線程恢復執行；其內部實現了AQS框架
CyclicBarrier	循環柵欄，構造時設定等待線程數，當全部線程都到達柵欄後，柵欄放行；其內部經過ReentrantLock和Condition實現同步
Semaphore	信號量，相似於「令牌」，用於控制共享資源的訪問數量；其內部實現了AQS框架
Exchanger	交換器，相似於雙向柵欄，用於線程之間的配對和數據交換；其內部根據併發狀況有「單槽交換」和「多槽交換」之分
Phaser	多階段柵欄，至關於CyclicBarrier的升級版，可用於分階段任務的併發控制執行；其內部比較複雜，支持樹形結構，以減小併發帶來的競爭

本部分包含如下文章：

• J.U.C之synchronizer框架（1）：倒數計數器——CountDownLatch
• J.U.C之synchronizer框架（2）：循環柵欄——CyclicBarrier
• J.U.C之synchronizer框架（3）：信號量——Semaphore
• J.U.C之synchronizer框架（4）：數據交換器——Exchanger
• J.U.C之synchronizer框架（5）：多階段柵欄——Phaser

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juc-collections 集合框架

這裏的juc-collections集合框架，是指java.util.concurrent包下的一些同步集合類，按類型劃分能夠分爲：符號表、隊列、Set集合、列表四大類，每一個類都有本身適合的使用場景，整個juc-collections集合框架的結構以下圖：

其中阻塞隊列的分類及特性以下表：

隊列特性	有界隊列	近似無界隊列	無界隊列	特殊隊列
有鎖算法	ArrayBlockingQueue	LinkedBlockingQueue、LinkedBlockingDeque	/	PriorityBlockingQueue、DelayQueue
無鎖算法	/	/	LinkedTransferQueue	SynchronousQueue

本部分包含如下文章：

• J.U.C之collections框架（1）：ConcurrentHashMap的基本原理
• J.U.C之collections框架（2）：ConcurrentHashMap的擴容
• J.U.C之collections框架（3）：跳錶——ConcurrentSkipListMap
• J.U.C之collections框架（4）：ConcurrentSkipListSet
• J.U.C之collections框架（5）：「寫時複製」的應用——CopyOnWriteArrayList
• J.U.C之collections框架（6）：CopyOnWriteArraySet
• J.U.C之collections框架（7）：無鎖隊列——ConcurrentLinkedQueue
• J.U.C之collections框架（8）：無鎖雙端隊列——ConcurrentLinkedDeque
• J.U.C之collections框架（9）：阻塞隊列簡介——BlockingQueue
• J.U.C之collections框架（10）：基於數組的阻塞隊列——ArrayBlockingQueue
• J.U.C之collections框架（11）：基於單鏈表的阻塞隊列——LinkedBlockingQueue
• J.U.C之collections框架（12）：基於堆的優先級阻塞隊列——PriorityBlockingQueue
• J.U.C之collections框架（13）：特殊的同步隊列——SynchronousQueue
• J.U.C之collections框架（14）：延時阻塞隊列——DelayQueue
• J.U.C之collections框架（15）：基於雙鏈表的阻塞雙端隊列——LinkedBlockingDeque
• J.U.C之collections框架（16）：LinkedTransferQueue

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juc-executors 執行器框架

executors框架是整個J.U.C包中類/接口關係最複雜的框架，executors其實能夠劃分爲3大塊，每一塊的核心都是基於Executor這個接口：

1. 線程池
2. Future模式
3. Fork/Join框架

本部分包含如下文章：

J.U.C之executors框架（1）：executors框架概述
J.U.C之executors框架（2）：普通線程池——ThreadPoolExecutor
J.U.C之executors框架（3）：計劃線程池——ScheduledThreadPoolExecutor
J.U.C之executors框架（4）：Future 模式
J.U.C之executors框架（5）：Fork/Join 框架的原理
J.U.C之executors框架（6）：Fork/Join 框架的實現

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後續文章將從juc-locks鎖框架開始，按部就班得介紹各個框架中得多線程工具的使用方法和原理。