章节 27 | 并发工具类模块热点问题答疑

在Java并发编程的广阔领域中，并发工具类模块无疑是构建高效、安全并发程序的核心基石。这些工具类，如java.util.concurrent包下的各类集合、锁、同步器、线程池等，为开发者提供了丰富的并发控制手段。然而，随着并发复杂度的提升，这些工具类的使用也伴随着一系列常见问题与误区。本章将围绕并发工具类模块的热点问题，进行深入解析与答疑，帮助读者更好地理解和应用这些强大的工具。

27.1 线程池（ExecutorService）的常见问题

问题一：如何合理配置线程池的大小？

线程池的大小配置是一个权衡CPU利用率、内存消耗、响应时间和吞吐量等多方面因素的过程。常见的配置策略包括：

• CPU密集型任务：线程数大致等于CPU核心数（Runtime.getRuntime().availableProcessors()），这样可以最大化CPU的利用率。
• I/O密集型任务：由于线程在等待I/O操作完成时会阻塞，因此线程数应多于CPU核心数，以利用CPU在等待期间的空闲时间。具体数量取决于I/O操作的等待时间与CPU处理时间的比例，以及系统的可用资源。
• 混合型任务：对于包含CPU密集型与I/O密集型混合的任务，需要基于实际测试与经验来调整线程池大小。

问题二：线程池拒绝策略有哪些，如何选择？

Java提供了四种内置的线程池拒绝策略：

• AbortPolicy：默认策略，直接抛出RejectedExecutionException。
• CallerRunsPolicy：调用者线程（即提交任务的线程）直接执行该任务，不会立即拒绝。
• DiscardPolicy：静默地丢弃无法处理的任务，不抛出异常。
• DiscardOldestPolicy：如果队列已满，丢弃队列中最旧的任务，并尝试提交新任务。

选择哪种策略取决于应用的需求与容错能力。例如，对于关键任务，可能需要自定义拒绝策略，如记录日志、发送告警或尝试将任务提交到其他线程池。

27.2 并发集合的误区与最佳实践

问题一：并发集合是否完全替代了同步集合？

并发集合（如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等）在并发环境下提供了比同步集合更高的性能，但它们并不总是最佳选择。同步集合（通过Collections.synchronizedXxx方法包装）简单直接，适用于并发级别不高或代码重构成本较高的场景。选择时应基于具体需求与性能分析。

问题二：ConcurrentHashMap的工作原理是什么？为何它比Hashtable更高效？

ConcurrentHashMap采用了分段锁（在Java 8及以后版本中改为基于CAS的锁自由节点数组+链表/红黑树结构）技术，将数据分为多个段（segment），每个段维护自己的锁，从而允许多个读操作或不同段的写操作并发进行。这种设计显著减少了锁竞争，提高了并发性能。相比之下，Hashtable使用单一锁来控制整个表，导致任何时刻只能有一个线程进行读写操作，性能低下。

27.3 锁与同步器的深入解析

问题一：ReentrantLock与synchronized的区别及选择依据？

• 灵活性：ReentrantLock提供了比synchronized更灵活的锁定机制，包括尝试非阻塞地获取锁（tryLock()）、可中断地获取锁（lockInterruptibly()）以及尝试获取锁时设置超时时间等。
• 锁的可视性：ReentrantLock可以关联多个Condition对象，实现更细粒度的线程间通信；而synchronized关键字隐式支持单个对象的锁及其关联的等待/通知机制。
• 性能：在竞争不激烈的场景下，synchronized的性能可能优于ReentrantLock，因为它是由JVM直接支持的，减少了方法调用的开销。但在高并发场景下，ReentrantLock的性能可能更优，因为其提供了更多的优化空间。

选择时，若对性能有极致追求且场景复杂，可考虑ReentrantLock；若追求简洁明了且并发要求不高，synchronized是更好的选择。

问题二：Semaphore与CountDownLatch的区别及应用场景？

• Semaphore：信号量，用于控制同时访问某个特定资源的操作数量，或同时执行某个指定操作的数量。适用于资源有限制的场景，如数据库连接池、线程池等。
• CountDownLatch：倒计时器，用于等待一组操作的完成。当调用countDown()方法时，计数器减一；当计数器减至0时，所有等待的线程将被唤醒。适用于需要等待多个线程完成某项操作再继续执行的场景，如初始化多个资源后启动服务等。

27.4 其他并发工具类的使用注意事项

问题一：CyclicBarrier与Exchanger的区别？

• CyclicBarrier：允许多个线程在相互等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点（barrier point）。所有线程必须到达屏障点后才能继续执行，适用于需要所有线程完成某个阶段后才能进行下一步操作的场景。
• Exchanger：用于两个线程之间的数据交换。每个线程在到达某个点时必须等待另一个线程到达相同的点，然后才能交换数据并继续执行。适用于两个线程之间需要传递数据的场景。

问题二：ForkJoinPool的优势与适用场景？

ForkJoinPool是专为可递归分解的任务设计的并行执行框架。它通过将大任务分割成多个小任务，并在多个线程上并行执行这些小任务，最后将结果合并，从而显著提高程序的并行性能。ForkJoinPool适用于可以递归分解为更小任务、且这些任务之间相对独立、易于合并的场景，如数组排序、大规模数据处理等。

结语

本章通过对并发工具类模块中热点问题的深入解析与答疑，旨在帮助读者更全面地理解和掌握这些工具类的使用。无论是线程池的配置与优化、并发集合的选择与误区、锁与同步器的深入理解，还是其他并发工具类的使用注意事项，都是构建高效、安全并发程序不可或缺的知识。希望本章内容能为读者在Java并发编程的实践中提供有力支持。