Java 8并发工具包漫游指南(中)

2017-03-19 From 程序之心 By 丁仪

并发容器

工具包提供了队列的并发实现类ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque,两者都是无界非阻塞线程安全的队列。

ConcurrentMap接口继承了普通的Map接口,提供了线程安全和原子操作特性。Java 8 提供了实现类ConcurrentHashMap,ConcurrentHashMap不锁定整个Map,只锁定需要写入的部分,因此并发性能比HashTable要高很多。

ConcurrentNavigableMap接口继承了ConcurrentMap和NavigableMap接口,支持并发访问NavigableMap,还能让子Map具备并发访问的能力。NavigableMap是扩展的 SortedMap,具有了针对给定搜索目标返回最接近匹配项的导航方法。

Java 8 提供了实现类ConcurrentSkipListMap,并没有使用lock来保证线程的并发访问和修改,而是使用了非阻塞算法来保证并发访问,高并发时相对于TreeMap有明显的优势。

工具包提供了NavigableSet的并发实现类ConcurrentSkipListSet,是线程安全的有序集合,适用于高并发的场景,通过ConcurrentSkipListMap实现。

工具包提供了两个写时复制容器,即CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。写时复制技术是一种优化策略,多个线程可以并发访问同一份数据,当有线程要修改时才进行复制然后修改。在Linux系统中,fork进程后,子进程先与父进程共享数据,需要修改时才用写时复制得到自己的副本。在Java中,写时复制容器在修改数据后,把原来容器的引用指向新容器,来实现读写分离,在并发读写中不需要加锁。写时复制容器适用于读多写少的场景,在复制时会占用较多内存,能够保证最终一致性,但无法保证瞬时一致性。

线程池

工具包中Executor接口定义了执行器的基本功能,即execute方法,接收Runnable对象参数并执行Runnable中的操作。

ExecutorService接口继承Executor接口后增加了关于执行器服务的定义,如关闭、立即关闭、检查关闭、等待终止、提交有返回值的任务、批量提交任务等。通过Executors的工厂方法获取ExecutorService的具体实现,目前Executors可以返回的实现类型如下:

FixedThreadPool:固定大小的线程池,创建时指定大小;

WorkStealingPool:拥有多个任务队列(以便减少连接数)的线程池;

SingleThreadExecutor:单线程执行器,顾名思义只有一个线程执行任务;

CachedThreadPool:根据需要创建线程,可以重复利用已存在的线程来执行任务

SingleThreadScheduledExecutor:根据时间计划延迟创建单个工作线程或者周期性创建的单线程执行器;

ScheduledThreadPool:能够延后执行任务,或者按照固定的周期执行任务。

如果希望在任务执行完成后得到任务的返回值,可以调用submit方法传入Callable任务,并通过返回的Future对象查看任务执行是否完成,并获取返回值。

线程分叉与合并

ForkJoinPool 让我们可以很方便地把任务分裂成几个更小的任务,这些分裂出来的任务也将会提交给 ForkJoinPool。任务可以继续分割成更小的子任务,只要它还能分割。分叉和合并原理包含两个递归进行的步骤。两个步骤分别是分叉步骤和合并步骤。

一个使用了分叉和合并原理的任务可以将自己分叉(分割)为更小的子任务,这些子任务可以被并发执行。如下图所示:

通过把自己分割成多个子任务,每个子任务可以由不同的 CPU 并行执行,或者被同一个 CPU 上的不同线程执行。

只有当给的任务过大,把它分割成几个子任务才有意义。把任务分割成子任务有一定开销,因此对于小型任务,这个分割的消耗可能比每个子任务并发执行的消耗还要大。

什么时候把一个任务分割成子任务是有意义的,这个界限也称作一个阀值。这要看每个任务对有意义阀值的决定。很大程度上取决于它要做的工作的种类。

当一个任务将自己分割成若干子任务之后,该任务将等待所有子任务结束。一旦子任务执行结束,该任务可以把所有结果合并到同一个结果。图示如下:

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君子曰:学不可以已。
《算法导论(原书第3版)》
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