JUC工具类

在黑马点评项目实战中使用Redis实现全局秒杀的课程中，提到了一个名词JUC，在测试生成随机id的有效性时使用到了JUC的工具类：CountDownLatch，这里简单进行一个介绍和了解，想学习更具体的有关多线程与并发编程的内容，可以去看黑马有专门的JUC教程。

一、CountDownLatch：多线程协调工具类

​​CountDownLatch​​ 是 Java 并发包（JUC）中的一个​​同步辅助类​​，主要用于协调多个线程的执行顺序，允许​​一个或多个线程等待其他线程完成操作​​后再继续执行。它的核心机制是通过一个“计数器”实现线程间的等待/通知。

核心特点：

• ​​计数器初始化​​：创建时指定一个初始计数值（count），表示需要等待的线程数量或任务阶段数。
• ​​countDown()​​：每个线程完成任务后调用，将计数器减 1（不可逆，减到 0 后无法恢复）。
• ​​await()​​：等待线程调用，阻塞直到计数器变为 0（或被中断、超时）。

典型场景：

• 主线程等待所有子线程完成初始化后，再开始执行后续逻辑（例如：多线程加载资源，主线程等待所有资源加载完毕）。
• 多阶段任务中，前一阶段的所有线程完成后，才能进入下一阶段（例如：多线程计算子任务，汇总结果前等待所有子任务完成）。

示例代码：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 初始化计数器为 3（等待 3 个子线程完成）
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

        // 启动 3 个子线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行任务...");
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务耗时
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    latch.countDown(); // 任务完成后计数器减 1
                }
            }).start();
        }

        // 主线程等待计数器归零
        latch.await();
        System.out.println("所有子线程任务完成，主线程继续执行...");
    }
}

注意：

• 计数器​​只能使用一次​​（减到 0 后无法重置），若需要重复等待，可使用 CyclicBarrier（循环屏障）。

二、JUC 是什么？

​​JUC​​ 是 java.util.concurrent 包的缩写（全称：Java Utility Classes for Concurrency），是 Java 平台提供的​​并发编程工具包​​，始于 JDK 1.5（由 Doug Lea 设计）。它封装了多线程编程中最核心的工具类，解决了早期 Java 多线程编程（如 synchronized 关键字）的性能和灵活性问题。

JUC 覆盖了多线程编程的几乎所有场景，包括：
线程池、锁（细粒度锁、读写锁）、原子操作、并发集合、同步工具类（等待/通知机制）、异步编程等。

三、JUC 常用工具类分类

JUC 工具类可按功能分为以下几大类，以下是最核心的工具类及其用途：

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1. ​​同步工具类（线程协调）​​

用于控制多个线程的执行顺序或协作，解决“等待-通知”问题。

• ​​CountDownLatch​​：前面已介绍，一次性计数器，等待多个任务完成。
• ​​CyclicBarrier​​：循环屏障，允许多个线程在某个屏障点等待，直到所有线程到达后一起继续执行（可重复使用）。
  示例：多线程计算分片数据，全部完成后合并结果。
• ​​Semaphore​​：信号量，控制同时访问某一资源的线程数量（限流）。
  示例：数据库连接池限制同时连接数。
• ​​Exchanger​​：交换器，两个线程在屏障点交换数据。
  示例：生产者-消费者模型中交换生产的数据和消费的位置。

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2. ​​锁（Lock）​​

提供比 synchronized 更灵活的锁机制（可中断、超时、公平锁等）。

• ​​ReentrantLock​​：可重入互斥锁，支持公平/非公平模式（默认非公平）。
  特性：可通过 tryLock() 尝试获取锁，避免死锁；支持条件变量（Condition）实现精准唤醒。
• ​​ReadWriteLock​​：读写锁接口，分离读锁（共享）和写锁（独占），适合读多写少场景。
  实现类：ReentrantReadWriteLock。
• ​​StampedLock​​：更高效的读写锁（JDK 8 引入），支持“乐观读”（无锁读取），进一步优化读多写少场景。
• ​​LockSupport​​：底层线程阻塞/唤醒工具（park()/unpark()），用于实现自定义锁或线程协作。

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3. ​​原子类（Atomic）​​

基于 CAS（Compare-And-Swap，无锁算法）实现的无锁线程安全操作，避免传统锁的开销。

• ​​基础类型原子类​​：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean（通过 CAS 保证操作的原子性）。
• ​​引用类型原子类​​：AtomicReference（原子更新对象引用）、AtomicMarkableReference（带标记的引用原子更新）。
• ​​数组原子类​​：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray（原子更新数组元素）。
• ​​字段原子类​​：AtomicIntegerFieldUpdater（原子更新对象的某个 int 字段）。

示例：

AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
counter.incrementAndGet(); // 原子自增（等价于 i++，但线程安全）

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4. ​​并发集合（Concurrent Collections）​​

线程安全的集合类，优化了多线程环境下的读写性能（相比 Collections.synchronizedXXX() 更高效）。

• ​​List​​：CopyOnWriteArrayList（写时复制，适合读多写少场景，迭代时不抛出 ConcurrentModificationException）。
• ​​Set​​：CopyOnWriteArraySet（基于 CopyOnWriteArrayList 实现）、ConcurrentSkipListSet（跳表实现，有序且线程安全）。
• ​​Map​​：ConcurrentHashMap（分段锁/JDK 8 后CAS+红黑树，高并发下性能优于 Hashtable）、ConcurrentSkipListMap（有序且线程安全）。
• ​​Queue​​：ConcurrentLinkedQueue（无界非阻塞队列）、BlockingQueue 接口（阻塞队列，支持生产者-消费者模型，如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue）。

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5. ​​线程池（ThreadPool）​​

管理线程的生命周期，避免频繁创建/销毁线程的开销，是高性能多线程编程的核心。

• ​​核心接口/类​​：
  • Executor：线程池顶层接口（execute(Runnable)）。
  • ExecutorService：扩展接口（支持 submit(Callable)、shutdown() 等）。
  • ThreadPoolExecutor：核心实现类（可通过构造函数自定义线程数、拒绝策略等）。
  • ScheduledExecutorService：定时任务线程池（替代 Timer，支持延迟/周期性任务）。
• ​​工具类​​：Executors（工厂类，提供快速创建线程池的方法，如 newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newSingleThreadExecutor）。
  注意：JDK 8 后推荐直接使用 ThreadPoolExecutor 构造函数自定义参数，避免 Executors 工厂方法可能导致的OOM（如无界队列）。

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6. ​​异步编程（Future & CompletableFuture）​​

解决多线程任务的异步执行与结果获取问题。

• ​​Callable & Future​​：Callable 是可返回结果的任务（区别于 Runnable），Future 用于获取异步任务的结果（get() 阻塞等待）。
  示例：

  ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
  Future future = executor.submit(() -> {
      Thread.sleep(1000);
      return 42;
  });
  int result = future.get(); // 阻塞直到任务完成

• ​​CompletableFuture​​（JDK 8 引入）：更强大的异步编程工具，支持链式调用、组合多个异步任务（thenApply、thenCompose、allOf、anyOf 等），解决回调地狱问题。

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7. ​​其他工具类​​

• ​​Phaser​​：更灵活的分阶段同步工具（替代 CyclicBarrier），支持动态调整参与线程数。
• ​​FutureTask​​：RunnableFuture 的实现类，结合了 Runnable 和 Future，可作为任务提交给线程池。
• ​​ThreadLocalRandom​​：JDK 7 引入的线程本地随机数生成器（替代 Math.random()，高并发下性能更好）。

总结

CountDownLatch 是 JUC 中用于线程协调的同步工具类，而 JUC 是 Java 并发编程的核心工具包，覆盖了锁、原子操作、并发集合、线程池、异步编程等几乎所有多线程场景。掌握这些工具类能显著提升多线程程序的性能和可靠性。