Пакет java.util.concurrent

Вспомогательные классы, часто полезные при параллельном программировании. Этот пакет включает несколько небольших стандартизированных расширяемых платформ, а также некоторые классы, предоставляющие полезные функции, реализация которых в противном случае была бы утомительной или сложной. Ниже приведены краткие описания основных компонентов. См. также пакеты java.util.concurrent.locks и java.util.concurrent.atomic.

Исполнители

Интерфейсы. Executor — это простой стандартизированный интерфейс для определения пользовательских подсистем, подобных потокам, включая пулы потоков, асинхронный ввод-вывод и легковесные платформы задач. В зависимости от используемого конкретного класса Executor задачи могут выполняться в новом потоке, в существующем потоке выполнения задач или в потоке, вызывающем execute, а также могут выполняться последовательно или параллельно. ExecutorService предоставляет более полную платформу для асинхронного выполнения задач. ExecutorService управляет очередями и планированием задач, а также позволяет выполнять контролируемое завершение работы. Подинтерфейс ScheduledExecutorService и связанные с ним интерфейсы добавляют поддержку отложенного и периодического выполнения задач. ExecutorService предоставляет методы для организации асинхронного выполнения любой функции, представленной в виде Callable, аналога Runnable, возвращающего результат. Future возвращает результаты функции, позволяет определить, завершилось ли выполнение, и предоставляет средство отмены выполнения. RunnableFuture — это Future, у которого есть метод run, устанавливающий результаты при выполнении.

Реализации. Классы ThreadPoolExecutor и ScheduledThreadPoolExecutor предоставляют гибкие пулы потоков с настраиваемыми параметрами. Класс Executors предоставляет фабричные методы для наиболее распространённых видов и конфигураций Executor, а также несколько вспомогательных методов для работы с ними. К другим утилитам на основе Executors относятся конкретный класс FutureTask, предоставляющий общую расширяемую реализацию Future, и ExecutorCompletionService, помогающий координировать обработку групп асинхронных задач.

Класс ForkJoinPool предоставляет Executor, предназначенный главным образом для обработки экземпляров ForkJoinTask и его подклассов. Эти классы используют планировщик с кражей работ, который обеспечивает высокую пропускную способность для задач, удовлетворяющих ограничениям, часто встречающимся при параллельной обработке с интенсивными вычислениями.

Очереди

Класс ConcurrentLinkedQueue предоставляет эффективную масштабируемую потокобезопасную неблокирующую очередь FIFO. Класс ConcurrentLinkedDeque похож на него, но дополнительно поддерживает интерфейс Deque.

Пять реализаций в java.util.concurrent поддерживают расширенный интерфейс BlockingQueue, определяющий блокирующие версии методов put и take: LinkedBlockingQueue, ArrayBlockingQueue, SynchronousQueue, PriorityBlockingQueue и DelayQueue. Эти классы охватывают наиболее распространённые сценарии использования в схемах «производитель — потребитель», обмене сообщениями, параллельном выполнении задач и других связанных параллельных архитектурах.

Расширенный интерфейс TransferQueue и реализация LinkedTransferQueue вводят синхронный метод transfer (наряду со связанными возможностями), при котором производитель может при необходимости блокироваться в ожидании потребителя.

Интерфейс BlockingDeque расширяет BlockingQueue, поддерживая операции как FIFO, так и LIFO (на основе стека). Класс LinkedBlockingDeque предоставляет реализацию.

Время

Класс TimeUnit предоставляет несколько единиц измерения времени (включая наносекунды) для указания и управления операциями с тайм-аутом. Большинство классов пакета, помимо ожидания без ограничения времени, содержат операции с тайм-аутом. Во всех случаях использования тайм-аутов его значение задаёт минимальное время, в течение которого метод должен ожидать, прежде чем сообщить об истечении тайм-аута. Реализации прилагают все усилия, чтобы обнаруживать истечение тайм-аута как можно скорее после его наступления. Однако между обнаружением истечения тайм-аута и фактическим возобновлением выполнения потока может пройти неопределённое время. Все методы, принимающие параметры тайм-аута, трактуют значения, меньшие или равные нулю, как указание не ожидать вовсе. Чтобы ожидать «вечно», можно использовать значение Long.MAX_VALUE.

Синхронизаторы

Пять классов помогают реализовать распространённые идиомы синхронизации специального назначения.

• Semaphore — классический инструмент параллельного программирования.
• CountDownLatch — очень простой, но широко используемый инструмент для блокировки до тех пор, пока не поступит заданное число сигналов или не будут выполнены заданные условия.
• CyclicBarrier — это сбрасываемая точка многопоточной синхронизации, полезная в некоторых видах параллельного программирования.
• Phaser предоставляет более гибкую форму барьера, которую можно использовать для управления поэтапными вычислениями в нескольких потоках.
• Exchanger позволяет двум потокам обмениваться объектами в точке встречи и полезен в некоторых схемах конвейерной обработки.

Параллельные коллекции

Помимо очередей, этот пакет предоставляет реализации Collection, предназначенные для использования в многопоточной среде: ConcurrentHashMap, ConcurrentSkipListMap, ConcurrentSkipListSet, CopyOnWriteArrayList и CopyOnWriteArraySet. Если предполагается, что к данной коллекции будет обращаться множество потоков, ConcurrentHashMap обычно предпочтительнее синхронизированного HashMap, а ConcurrentSkipListMap обычно предпочтительнее синхронизированного TreeMap. CopyOnWriteArrayList предпочтительнее синхронизированного ArrayList, если ожидаемое количество операций чтения и обхода значительно превышает количество обновлений списка.

Префикс «Concurrent», используемый в названиях некоторых классов этого пакета, служит сокращённым обозначением ряда отличий от аналогичных «синхронизированных» классов. Например, java.util.Hashtable и Collections.synchronizedMap(new HashMap()) синхронизированы. А вот ConcurrentHashMap является «параллельным». Параллельная коллекция потокобезопасна, но не управляется одной блокировкой взаимоисключения. В частности, ConcurrentHashMap безопасно допускает любое количество параллельных операций чтения, а также большое количество параллельных операций записи. «Синхронизированные» классы могут быть полезны, когда необходимо предотвратить любой доступ к коллекции, используя одну блокировку, ценой снижения масштабируемости. В других случаях, когда ожидается, что к общей коллекции будут обращаться несколько потоков, обычно предпочтительны «параллельные» версии. Несинхронизированные коллекции предпочтительны, когда коллекции не являются общими или доступны только при удержании других блокировок.

Большинство реализаций параллельных Collection (включая большинство очередей) также отличаются от обычных соглашений java.util тем, что их итераторы и сплитераторы обеспечивают слабосогласованный, а не быстро завершающийся при изменениях обход:

• они могут выполняться параллельно с другими операциями
• они никогда не выбрасывают ConcurrentModificationException
• гарантируется, что они ровно один раз обойдут элементы, существовавшие на момент создания, и при этом они могут (но не обязаны) учитывать любые изменения, произошедшие после создания.
• Эти свойства распространяются и на другие операции, основанные на итерации. В частности, Object.equals(Object) почти никогда не полезен, если только не известно, что обе коллекции находятся в состоянии покоя.

Свойства согласованности памяти

Глава 17 Спецификации языка Java определяет отношение происходит до для операций с памятью, таких как чтение и запись общих переменных. Результаты записи одного потока гарантированно видны при чтении другим потоком только в том случае, если операция записи происходит до операции чтения. Конструкции synchronized и volatile, а также методы Thread.start() и Thread.join() могут устанавливать отношения происходит до. В частности:

• Каждое действие в потоке происходит до всех действий в этом потоке, которые следуют за ним в порядке выполнения программы.
• Снятие блокировки монитора (выход из блока или метода synchronized) происходит до последующей блокировки (входа в блок или метод synchronized) того же монитора. А поскольку отношение происходит до транзитивно, все действия потока до снятия блокировки происходят до всех действий, следующих за блокировкой этого монитора любым потоком.
• Запись в поле volatile происходит до каждого последующего чтения того же поля. Запись и чтение полей volatile имеют эффекты согласованности памяти, аналогичные входу в мониторы и выходу из них, но не предполагают блокировку для обеспечения взаимоисключения.
• Вызов start для потока происходит до любого действия в запущенном потоке.
• Все действия в потоке происходят до успешного возврата любого другого потока из join для этого потока.

Методы всех классов в java.util.concurrent и его под-пакетах распространяют эти гарантии на синхронизацию более высокого уровня. В частности:

• Действия в потоке до помещения объекта в любую параллельную коллекцию происходят до действий, следующих за получением доступа к этому элементу или его удалением из коллекции в другом потоке.
• Действия в потоке до отправки Runnable в Executor происходят до начала его выполнения. Аналогично для Callables, отправленного в ExecutorService.
• Действия, выполненные асинхронным вычислением, представленным Future, происходят до действий, следующих за получением результата через Future.get() в другом потоке.
• Действия до вызова методов «освобождения» синхронизатора, таких как Lock.unlock, Semaphore.release и CountDownLatch.countDown, происходят до действий, следующих за успешным вызовом метода «захвата», такого как Lock.lock, Semaphore.acquire, Condition.await и CountDownLatch.await, для того же объекта синхронизатора в другом потоке.
• Для каждой пары потоков, успешно обменивающихся объектами через Exchanger, действия до вызова exchange() в каждом потоке происходят до действий после соответствующего вызова exchange() в другом потоке.
• Действия до вызова CyclicBarrier.await и Phaser.awaitAdvance (а также их вариантов) происходят до действий, выполненных барьерным действием, а действия, выполненные барьерным действием, происходят до действий, следующих за успешным возвратом из соответствующего await в других потоках.