Java JUC（Java Util Concurrent）是 Java 平台提供的并发编程工具包，它提供了一系列的工具类和接口，用于简化多线程编程。JUC 中的类和接口都是基于 Java 平台的底层并发原语（如锁、信号量、原子变量等）实现的，可以帮助开发者更加方便和安全地完成多线程编程。

JUC 中的常用类和接口

1. Lock 和 ReentrantLock

Lock 接口是 Java 并发包中提供的一种比 synchronized 更加灵活的锁机制。它提供了更加细粒度的控制，可以实现更加复杂的线程同步操作。ReentrantLock 是 Lock 接口的一个实现类，它提供了与 synchronized 相同的互斥性和内存可见性，同时还提供了更多的高级功能，如可重入锁、公平锁等。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockDemo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void print() {
        lock.lock();
        try {
            // 线程安全的代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

2. Condition

Condition 接口是 Lock 接口提供的一个高级功能，它可以用于实现线程之间的通信。一个 Condition 对象可以和一个 Lock 对象关联，当一个线程调用 Condition 的 await() 方法时，它会释放掉与这个 Condition 对象关联的 Lock 对象的锁，并进入等待状态；当另一个线程调用 Condition 的 signal() 或 signalAll() 方法时，它会通知一个或所有正在等待的线程恢复执行。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionDemo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    private int count = 0;

    public void produce() {
        lock.lock();
        try {
            while (count >= 10) {
                condition.await();
            }
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " produce, count = " + count);
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() {
        lock.lock();
        try {
            while (count <= 0) {
                condition.await();
            }
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consume, count = " + count);
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3. Semaphore

Semaphore 是一种计数信号量，它可以用于控制同时访问某个资源的线程数量。Semaphore 维护了一个计数器，每当一个线程访问该资源时，计数器就会减一；当计数器为零时，所有试图访问该资源的线程都会被阻塞，直到计数器大于零。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDemo {
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

    public void access() {
        try {
            semaphore.acquire();
            // 线程安全的代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

4. CountDownLatch

CountDownLatch 是一种同步工具类，它可以让一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。CountDownLatch 维护了一个计数器，线程调用它的 await() 方法会阻塞，直到计数器变为零；而其他线程完成操作后，可以调用 CountDownLatch 的 countDown() 方法将计数器减一。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchDemo {
    private CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);

    public void task() {
        try {
            // 模拟耗时操作
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

    public void start() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(this::task).start();
        }
        try {
            countDownLatch.await();
            System.out.println("All tasks have been completed");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5. CyclicBarrier

CyclicBarrier 是一种同步工具类，它可以让一组线程在达到某个共同点之前相互等待。CyclicBarrier 维护了一个计数器和一个栅栏点，每当一个线程到达栅栏点时，计数器就会减一；当计数器为零时，所有线程就可以继续执行。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierDemo {
    private CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
        System.out.println("All threads have arrived at the barrier");
    });

    public void task() {
        try {
            // 模拟耗时操作
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has arrived at the barrier");
            cyclicBarrier.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void start() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(this::task).start();
        }
    }
}

JUC 中的常用工具类

1. Executors

Executors 是一个工具类，用于创建线程池。它提供了一些静态方法，可以方便地创建不同类型的线程池。常用的方法有：

• newFixedThreadPool(int nThreads)：创建一个固定大小的线程池，该线程池中的线程数始终为 nThreads。
• newCachedThreadPool()：创建一个缓存线程池，该线程池可以根据需要创建新的线程，但在有可用线程时重用旧线程。
• newSingleThreadExecutor()：创建一个单线程池，该线程池中始终只有一个线程在工作。
• newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建一个定时任务线程池，该线程池可以在指定的延迟时间后执行任务，也可以按照固定的时间间隔执行任务。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExecutorsDemo {
    private ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

    public void execute() {
        executorService.execute(() -> {
            // 线程安全的代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
        });
    }

    public void shutdown() {
        executorService.shutdown();
    }
}

2. Future 和 FutureTask

Future 接口表示一个异步计算的结果，它提供了一些方法，可以查询计算是否完成、等待计算完成并获取结果。FutureTask 是 Future 接口的一个实现类，它可以用于异步执行任务，并且可以在任务执行完成后获取任务的执行结果。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureTaskDemo {
    private FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
        // 模拟耗时操作
        Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
        return 1;
    });

    public void start() {
        new Thread(futureTask).start();
    }

    public void get() {
        try {
            int result = futureTask.get();
            System.out.println("Result: " + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是一个线程安全的哈希表，它可以在高并发的情况下提供更好的性能。它的实现原理是将整个哈希表分成多个段，每个段都是一个独立的哈希表，可以独立地进行添加、删除、修改等操作。这样，当多个线程同时访问不同的段时，就可以实现真正的并行操作，从而提高了并发性能。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapDemo {
    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

    public void put(String key, int value) {
        map.put(key, value);
    }

    public int get(String key) {
        return map.get(key);
    }
}

JUC 中的高级特性

1. AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 JUC 中的一个重要类，它提供了一种通用的同步框架，可以用于实现各种同步器，如锁、信号量、倒计时门栓等。AQS 的核心思想是基于一个先进先出（FIFO）的队列，来管理等待获取同步状态的线程。当一个线程获取同步状态失败时，它会被封装成一个节点，然后加入到等待队列中，等待其他线程释放同步状态后再次尝试获取。

2. ForkJoin

ForkJoin 框架是 JUC 中的一个高性能并行计算框架，它可以将一个大任务拆分成多个小任务，并行地执行这些小任务，最后将小任务的结果合并成大任务的结果。ForkJoin 框架的核心思想是“工作窃取”，即当一个线程的任务执行完毕后，它可以从其他线程的任务队列中窃取一个任务来执行，以此来实现负载均衡。

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class ForkJoinDemo extends RecursiveTask<Integer> {
    private int start;
    private int end;

    public ForkJoinDemo(int start, int end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (end - start <= 100) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            ForkJoinDemo left = new ForkJoinDemo(start, mid);
            ForkJoinDemo right = new ForkJoinDemo(mid + 1, end);
            left.fork();
            right.fork();
            return left.join() + right.join();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinDemo task = new ForkJoinDemo(1, 1000);
        Integer result = forkJoinPool.invoke(task);
        System.out.println("Result: " + result);
    }
}

总结

Java JUC 提供了一系列的工具类和接口，用于简化多线程编程。在实际开发中，我们应该根据具体的业务需求选择合适的工具类和接口，以提高程序的并发性能和可靠性。同时，我们还应该遵守多线程编程的最佳实践，如避免死锁、竞态条件等问题，以确保程序的正确性和稳定性。

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