面试题：Java多线程网络编程中线程通信与资源竞争优化

确保线程间有效通信及避免资源竞争的机制

锁机制
- 互斥锁：使用synchronized关键字或者ReentrantLock类。例如，synchronized关键字可以修饰方法或者代码块，当一个线程进入同步代码块时，其他线程就无法进入，从而避免资源竞争。ReentrantLock相比synchronized更加灵活，支持公平锁、非公平锁，以及可中断的锁获取等特性。
- 读写锁：ReadWriteLock及其实现类ReentrantReadWriteLock，适用于读多写少的场景。允许多个线程同时进行读操作，但只允许一个线程进行写操作，写操作时其他读写线程都不能访问，这样既保证了读操作的并发性能，又避免了写操作时的数据不一致问题。
信号量：Semaphore可以控制同时访问资源的线程数量。例如，在网络连接池场景下，可以设置Semaphore的许可数量为连接池中的连接数，每个线程在获取网络连接前先获取一个许可，使用完连接后释放许可，这样可以有效控制并发访问连接池的线程数量，避免资源耗尽。
线程安全的容器：使用ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等线程安全的容器类。这些容器内部通过锁机制或者其他并发控制手段，确保在多线程环境下的数据一致性。例如ConcurrentHashMap在保证线程安全的同时，通过分段锁等技术提高了并发性能。
线程间通信机制
- 等待 - 通知机制：在Java中可以使用Object类的wait()、notify()和notifyAll()方法。例如，一个线程在获取不到网络资源时，可以调用wait()方法进入等待状态，当其他线程释放资源后调用notify()或者notifyAll()方法唤醒等待的线程。
- 管道流：PipedInputStream和PipedOutputStream、PipedReader和PipedWriter用于线程之间通过管道进行字节流或者字符流的通信。例如，一个线程将数据写入PipedOutputStream，另一个线程从对应的PipedInputStream中读取数据，实现线程间的数据传递。

使用Java并发工具类实现线程协作需求示例

CountDownLatch
- 作用：CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他一组线程完成操作后再继续执行。
- 示例：假设有一个网络爬虫程序，需要等待多个线程完成网页下载后，再进行数据的汇总分析。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class WebCrawler {
    public static void main(String[] args) {
        int threadCount = 5;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new DownloadTask(latch)).start();
        }

        try {
            latch.await();
            System.out.println("所有网页下载完成，开始数据分析。");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class DownloadTask implements Runnable {
        private final CountDownLatch latch;

        public DownloadTask(CountDownLatch latch) {
            this.latch = latch;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始下载网页。");
            // 模拟网页下载过程
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 网页下载完成。");
            latch.countDown();
        }
    }
}

CyclicBarrier
- 作用：CyclicBarrier可以让一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个屏障点后，再一起继续执行。与CountDownLatch不同的是，CyclicBarrier可以重复使用。
- 示例：在一个分布式计算场景中，多个计算节点需要先进行数据预处理，然后再同时进行计算。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class DistributedComputing {
    public static void main(String[] args) {
        int nodeCount = 3;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(nodeCount, () -> {
            System.out.println("所有节点数据预处理完成，开始进行计算。");
        });

        for (int i = 0; i < nodeCount; i++) {
            new Thread(new ComputeNode(barrier)).start();
        }
    }

    static class ComputeNode implements Runnable {
        private final CyclicBarrier barrier;

        public ComputeNode(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始数据预处理。");
            // 模拟数据预处理过程
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 数据预处理完成，等待其他节点。");
            try {
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始进行计算。");
        }
    }
}

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知识考点

面试题答案

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使用Java并发工具类实现线程协作需求示例