Java 并发工具实战：线程池、并发容器、阻塞队列、ThreadLocal 与 Future

理解了 JMM、锁和 AQS 之后，再看 JUC 工具类就轻松很多。它们解决的不是“能不能加锁”，而是更具体的协作问题：等一组任务完成、限制并发数、线程间通信、管理任务队列、复用线程。

这篇把常用并发工具放在一条工程主线上。

CountDownLatch

CountDownLatch 可以理解为倒数门闩。一个或多个线程等待计数器归零，其他线程完成任务后调用 countDown()。

典型场景：

• 主线程等待多个子任务完成。
• 服务启动时等待多个组件初始化完成。
• 压测时让多个线程同时开始执行。

示例：

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            // do work
        } finally {
            latch.countDown();
        }
    }).start();
}

latch.await();

CountDownLatch 不能重置，计数归零后就结束了。

Semaphore

Semaphore 是信号量，用来控制同时访问某个资源的线程数量。

典型场景：

• 限制同时访问数据库连接的线程数。
• 限制接口并发调用数量。
• 控制某类资源的许可证数量。

示例：

Semaphore semaphore = new Semaphore(10);

semaphore.acquire();
try {
    // access limited resource
} finally {
    semaphore.release();
}

它关注的是“最多允许多少线程同时进入”。

CyclicBarrier

CyclicBarrier 是循环栅栏，用来让一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个屏障点，再一起继续执行。

它和 CountDownLatch 的区别：

工具	特点
CountDownLatch	等待事件完成，计数不能重置
CyclicBarrier	等待一组线程到齐，可以重复使用

CyclicBarrier 适合分阶段并行任务，比如多个线程完成第一阶段后，再一起进入第二阶段。

Condition

Condition 是和 Lock 配合使用的条件对象，可以替代 Object.wait/notify。

它的优势是一个 Lock 可以创建多个 Condition，让不同等待条件分开管理。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition notEmpty = lock.newCondition();
Condition notFull = lock.newCondition();

阻塞队列的实现里，经常会看到类似的两个条件：队列非空、队列未满。

并发容器

普通集合在多线程下不一定安全。JUC 提供了多种并发容器。

容器	适用场景
ConcurrentHashMap	高并发 Map
CopyOnWriteArrayList	读多写少的 List
ConcurrentLinkedQueue	非阻塞队列
BlockingQueue	生产者消费者

ConcurrentHashMap 适合高并发读写。CopyOnWriteArrayList 写入时复制数组，读操作无锁，适合读多写少，比如配置列表、监听器列表。

阻塞队列

阻塞队列是线程池和生产者消费者模型的核心组件。

常见阻塞队列包括：

队列	特点
ArrayBlockingQueue	基于数组的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue	基于链表的阻塞队列，可有界也可近似无界
SynchronousQueue	不存储元素，直接移交任务
PriorityBlockingQueue	支持优先级的无界阻塞队列
DelayQueue	延迟队列
LinkedTransferQueue	支持传输语义的无界队列
LinkedBlockingDeque	双端阻塞队列

队列的选择会直接影响线程池行为。

为什么需要线程池

直接创建线程有几个问题：

• 创建和销毁线程成本高。
• 线程数量不可控。
• 频繁上下文切换影响性能。
• 缺少统一监控和拒绝策略。

线程池用池化思想复用线程，把线程创建、任务排队、任务执行、拒绝策略统一管理起来。

ThreadPoolExecutor 参数

ThreadPoolExecutor 核心参数包括：

参数	含义
corePoolSize	核心线程数
maximumPoolSize	最大线程数
keepAliveTime	非核心线程空闲存活时间
workQueue	工作队列
threadFactory	线程创建工厂
handler	拒绝策略

线程池执行流程可以简化为：

1. 当前线程数小于核心线程数，直接创建核心线程执行任务。
2. 核心线程满了，任务进入队列。
3. 队列满了，且线程数小于最大线程数，创建非核心线程。
4. 线程数达到最大值且队列也满了，执行拒绝策略。

不建议随便用 Executors

Executors 提供了很多快捷工厂方法，但容易隐藏风险。

例如：

• newFixedThreadPool 默认使用无界队列，可能堆积大量任务。
• newCachedThreadPool 最大线程数非常大，可能创建过多线程。
• newSingleThreadExecutor 也可能堆积任务。

更推荐手动创建 ThreadPoolExecutor，明确线程数、队列大小、线程名称和拒绝策略。

ThreadLocal

ThreadLocal 用于给每个线程保存一份独立变量副本。

典型场景：

• 保存用户上下文。
• 保存链路追踪 ID。
• 保存数据库连接或事务上下文。
• 在跨方法调用中传递线程级数据。

使用时要注意在线程池中及时清理：

try {
    context.set(value);
    // do work
} finally {
    context.remove();
}

线程池会复用线程，如果不 remove()，旧请求的数据可能污染新请求，也可能造成内存泄漏。

ThreadLocal 为什么用弱引用

ThreadLocalMap 的 Entry 中，Key 是 ThreadLocal 的弱引用。这样当外部不再引用某个 ThreadLocal 时，Key 可以被 GC 回收。

但 Value 仍然可能留在当前线程的 ThreadLocalMap 中。所以弱引用不能完全避免内存泄漏，正确做法仍然是使用完后调用 remove()。

Future 和 FutureTask

Future 表示一个异步任务的结果。

常见方法：

方法	作用
get()	等待并获取结果
get(timeout)	限时等待结果
cancel()	尝试取消任务
isDone()	判断任务是否完成
isCancelled()	判断任务是否取消

线程池的 submit() 方法会返回 Future：

Future<String> future = executor.submit(() -> "ok");
String result = future.get();

FutureTask 同时实现了 Runnable 和 Future，既可以作为任务执行，也可以获取执行结果。

小结

JUC 工具可以按问题分类：

• 等待多个任务完成：CountDownLatch。
• 限制并发数量：Semaphore。
• 多线程阶段协作：CyclicBarrier。
• 精细条件等待：Condition。
• 线程安全集合：并发容器。
• 任务排队：阻塞队列。
• 线程复用：线程池。
• 线程级上下文：ThreadLocal。
• 异步结果：Future。

并发工具不是越多越好，关键是先说清楚协作模型，再选择最贴合的工具。