java高并发JUC编程

林寻星辰 2023-03-05 22:23:57

1.准备

pom.xml 依赖如下:

 

<properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
      <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
      <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
  </properties>

  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>junit</groupId>
      <artifactId>junit</artifactId>
      <version>4.11</version>
      <scope>test</scope>
    </dependency>
    <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.projectlombok/lombok -->
    <dependency>
      <groupId>org.projectlombok</groupId>
      <artifactId>lombok</artifactId>
      <version>1.18.22</version>
      <scope>provided</scope>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.slf4j</groupId>
      <artifactId>slf4j-api</artifactId>
      <version>1.7.22</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>ch.qos.logback</groupId>
      <artifactId>logback-classic</artifactId>
      <version>1.2.3</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.junit.jupiter</groupId>
      <artifactId>junit-jupiter</artifactId>
      <version>RELEASE</version>
      <scope>compile</scope>
    </dependency>
  </dependencies>

 

logback.xml 配置如下:

 

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration scan="true">
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <logger name="c" level="debug" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>
    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

 

2.进程与线程

 

2.1 进程与线程

 

进程

 

  • 程序由指令和数据组成,但这些指令要运行,数据要读写,就必须将指令加载至 CPU,数据加载至内存。在 指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的 。
  • 当一个程序被运行,从磁盘加载这个程序的代码至内存,这时就开启了一个进程。
  • 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程(例如记事本、画图、浏览器 等),也有的程序只能启动一个实例进程(例如网易云音乐、360 安全卫士等)

 

线程

 

  • 一个进程之内可以分为一到多个线程。
  • 一个线程就是一个指令流,将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
  • Java 中,线程作为最小调度单位,进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的,只是作 为线程的容器

 

二者对比

 

  • 进程基本上相互独立的,而线程存在于进程内,是进程的一个子集
  • 进程拥有共享的资源,如内存空间等,供其内部的线程共享
  • 进程间通信较为复杂
    • 同一台计算机的进程通信称为 IPC(Inter-process communication)
    • 不同计算机之间的进程通信,需要通过网络,并遵守共同的协议,例如 HTTP
  • 线程通信相对简单,因为它们共享进程内的内存,一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
  • 线程更轻量,线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

 

2.2 并行与并发

 

单核cpu下,线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器,将 cpu 的时间片(windows 下时间片最小约为 15 毫秒)分给不同的程序使用,只是由于 cpu 在线程间(时间片很短)的切换非常快,人类感觉是同时运行的 。总结为一句话就是: 微观串行,宏观并行

 

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发, concurrent

CPU

时间片 1

时间片 2

时间片 3

时间片 4

core

线程 1

线程 2

线程 3

线程 4

 

多核 cpu下,每个 核(core) 都可以调度运行线程,这时候线程可以是并行的。

CPU

时间片 1

时间片 2

时间片 3

时间片 4

core1

线程 1

线程 2

线程 3

线程 4

core2

线程 4

线程 4

线程 2

线程 2

 

引用 Rob Pike 的一段描述:

 

并发(concurrent)是同一时间应对(dealing with)多件事情的能力 。

 

并行(parallel)是同一时间动手做(doing)多件事情的能力。

 

2.3 应用

 

$\textcolor{Green}{*应用之异步调用(案例1)} $

 

需要等待结果

 

这时既可以使用同步处理,也可以使用异步来处理

 

join 实现(同步)

 

static int result = 0;
private static void test1() throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        result = 10;
    }, "t1");
    t1.start();
    t1.join();
    log.debug("结果为:{}", result);
}

 

输出

 

20:30:40.453 [main] c.TestJoin - 开始
20:30:40.541 [Thread-0] c.TestJoin - 开始
20:30:41.543 [Thread-0] c.TestJoin - 结束
20:30:41.551 [main] c.TestJoin - 结果为:10

 

评价

 

  • 需要外部共享变量,不符合面向对象封装的思想
  • 必须等待线程结束,不能配合线程池使用

 

Future 实现(同步)

 

private static void test2() throws InterruptedException, ExecutionException {
    log.debug("开始");
    FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    });
    new Thread(result, "t1").start();
    log.debug("结果为:{}", result.get());
}

 

输出

 

10:11:57.880 c.TestSync [main] - 开始
10:11:57.942 c.TestSync [t1] - 开始
10:11:58.943 c.TestSync [t1] - 结束
10:11:58.943 c.TestSync [main] - 结果为:10

 

评价

 

  • 规避了使用 join 之前的缺点
  • 可以方便配合线程池使用

 

private static void test3() throws InterruptedException, ExecutionException {
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
    log.debug("开始");
    Future<Integer> result = service.submit(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    });
    log.debug("结果为:{}, result 的类型:{}", result.get(), result.getClass());
    service.shutdown();
}

 

输出

 

10:17:40.090 c.TestSync [main] - 开始
10:17:40.150 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
10:17:41.151 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
10:17:41.151 c.TestSync [main] - 结果为:10, result 的类型:class java.util.concurrent.FutureTask

 

评价

 

  • 仍然是 main 线程接收结果
  • get 方法是让调用线程同步等待

 

自定义实现(同步)

 

见模式篇:保护性暂停模式

 

CompletableFuture 实现(异步)

 

private static void test4() {
    // 进行计算的线程池
    ExecutorService computeService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    // 接收结果的线程池
    ExecutorService resultService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    log.debug("开始");
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    }, computeService).thenAcceptAsync((result) -> {
        log.debug("结果为:{}", result);
    }, resultService);
}

 

输出

 

10:36:28.114 c.TestSync [main] - 开始
10:36:28.164 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
10:36:29.165 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
10:36:29.165 c.TestSync [pool-2-thread-1] - 结果为:10

 

评价

 

  • 可以让调用线程异步处理结果,实际是其他线程去同步等待
  • 可以方便地分离不同职责的线程池
  • 以任务为中心,而不是以线程为中心

 

BlockingQueue 实现(异步)

 

private static void test6() {
    ExecutorService consumer = Executors.newFixedThreadPool(1);
    ExecutorService producer = Executors.newFixedThreadPool(1);
    BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
    log.debug("开始");
    producer.submit(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        try {
            queue.put(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    consumer.submit(() -> {
        try {
            Integer result = queue.take();
            log.debug("结果为:{}", result);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

 

不需等待结果

 

这时最好是使用异步来处理

 

普通线程实现

 

@Slf4j(topic = "c.FileReader")
public class FileReader {
    public static void read(String filename) {
        int idx = filename.lastIndexOf(File.separator);
        String shortName = filename.substring(idx + 1);
        try (FileInputStream in = new FileInputStream(filename)) {
            long start = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] start ...", shortName);
            byte[] buf = new byte[1024];
            int n = -1;
            do {
                n = in.read(buf);
            } while (n != -1);
            long end = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] end ... cost: {} ms", shortName, end - start);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

没有用线程时,方法的调用是同步的:

 

@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        String fullPath = "E:\\1.mp4";
        FileReader.read(fullPath);
        log.debug("do other things ...");
    }
}

 

输出

 

18:39:15 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
18:39:19 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4090 ms
18:39:19 [main] c.Sync - do other things ...

 

使用了线程后,方法的调用时异步的:

 

private static void test1() {
    new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
    log.debug("do other things ...");
}

 

输出

 

18:41:53 [main] c.Async - do other things ...
18:41:53 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
18:41:57 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4197 ms

 

线程池实现

 

private static void test2() {
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
    service.execute(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
    log.debug("do other things ...");
    service.shutdown();
}

 

输出

 

11:03:31.245 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
11:03:31.245 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] start ... 
11:03:33.479 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2235 ms

 

CompletableFuture 实现

 

private static void test3() throws IOException {
    CompletableFuture.runAsync(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
    log.debug("do other things ...");
    System.in.read();
}

 

输出

 

11:09:38.145 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
11:09:38.145 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] start ... 
11:09:40.514 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2369 ms

 

以调用方角度来讲,

 

  • 如果 需要等待结果返回,才能继续运行就是同步
  • 不需要等待结果返回,就能继续运行就是异步

 

1.设计

 

多线程可以让方法执行变为异步的(即不要巴巴干等着)、比如说读取磁盘文件时,假设读取操作花费了 5 秒钟,如果没有线程调度机制,这 5 秒 cpu 什么都做不了,其它代码都得暂停...

 

2.结论

 

  • 比如在项目中,视频文件需要转换格式等操作比较费时,这时开一个新线程处理视频转换,避免阻塞主线程
  • tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的,让用户线程处理耗时较长的操作,避免阻塞 tomcat 的工作线程
  • ui 程序中,开线程进行其他操作,避免阻塞 ui 线程

 

 

充分利用多核 cpu 的优势,提高运行效率。想象下面的场景,执行 3 个计算,最后将计算结果汇总。

 

计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

 

  • 如果是串行执行,那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
  • 但如果是四核 cpu,各个核心分别使用线程 1 执行计算 1,线程 2 执行计算 2,线程 3 执行计算 3,那么 3 个 线程是并行的,花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间,即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

 

注意:

 

需要在多核 cpu 才能提高效率,单核仍然时是轮流执行

 

1.设计

 

代码见【应用之效率-案例1】

 

2.结论

 

  1. 单核 cpu 下,多线程不能实际提高程序运行效率,只是为了能够在不同的任务之间切换,不同线程轮流使用 cpu ,不至于一个线程总占用 cpu,别的线程没法干活
  1. 多核 cpu 可以并行跑多个线程,但能否提高程序运行效率还是要分情况的
    • 有些任务,经过精心设计,将任务拆分,并行执行,当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任 务都能拆分(参考后文的【阿姆达尔定律】)
    • 也不是所有任务都需要拆分,任务的目的如果不同,谈拆分和效率没啥意义
  1. IO 操作不占用 cpu,只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】,这时相当于线程虽然不用 cpu,但需要一 直等待 IO 结束,没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化。
...全文
104 回复 打赏 收藏 转发到动态 举报
AI 作业
写回复
用AI写文章
回复
切换为时间正序
请发表友善的回复…
发表回复
内容概要:《Java高并发笔记2025.pdf》涵盖Java高并发编程的核心概念和技术细节。文档首先介绍了同步与异步调用的区别,前者是阻塞式的,后者是非阻塞式的,并通过购物的例子形象解释了两者的差异。接下来探讨了并发和并行的概念,指出并发是多个任务交替执行,而并行则是同时执行,强调了两者在单核和多核CPU环境下的表现。文档还详细解释了临界区、阻塞与非阻塞、死锁、饥饿和活锁等多线程编程中的常见问题。随后,介绍了Java内存模型(JMM)的关键特性,包括原子性、可见性和有序性,以及如何通过锁机制或CAS操作确保线程安全。此外,文档讲解了进程与线程的区别,线程的基本操作,如创建、启动、终止、等待等,并深入探讨了JUC包中的LockSupport工具类、CountDownLatch、Future、Callable接口的应用。最后,文档介绍了JUC中常见的集合类,如ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap等,并通过构建日志系统实战案例展示了如何利用这些技术解决实际问题。 适用人群:具有Java编程基础,特别是对多线程和高并发编程感兴趣的开发人员。 使用场景及目标:帮助读者理解并掌握Java高并发编程的基本原理和技术手段,适用于开发高性能、高可靠性的Java应用程序,尤其是需要处理大量并发请求的Web应用和服务端开发。 其他说明:文档不仅提供了理论知识,还结合了大量的代码示例和实战经验,有助于读者将所学应用于实际项目中。同时,文档中多次提到“加微信itsoku,发送:1024,获取 10T高质量计算机学习视频”,这可能是作者提供的额外学习资源链接,但请注意甄别信息来源的安全性和可靠性。

107

社区成员

发帖
与我相关
我的任务
社区描述
14天挑战赛发文处
学习 个人社区
社区管理员
  • Alita11101_
  • 穆雄雄
加入社区
  • 近7日
  • 近30日
  • 至今
社区公告

本次活动的文章请发布在社区内

试试用AI创作助手写篇文章吧