Java 同步阻塞、同步非阻塞与异步非阻塞模式详解
在并发编程中，Java提供了多种方式来控制线程的执行。理解不同的执行模型——同步阻塞、同步非阻塞和异步非阻塞，能够帮助开发者高效地使用资源，提升程序性能。本文将逐一分析这三种模型，并提供代码示例，最后通过甘特图和流程图来展现不同模型的执行流程。
一、同步阻塞
在同步阻塞模型中，当一个线程请求资源时，若资源未准备好，则该线程会被阻塞，直到资源可用。这个模型的优点是简单易用，但在高并发情况下，可能会导致性能瓶颈。
代码示例
public class SyncBlockingExample {
public static void main(String[] args) {
final Object lock = new Object();
Runnable task = () -> {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Acquired the lock");
try {
// Simulate some work with sleep
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Released the lock");
}
};
Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");
t1.start();
t2.start();
}
}
在这个例子中，Thread-1 在获得锁后会执行工作，Thread-2 必须等到 Thread-1 释放锁后才能进行。此种方式简单，但在高并发场景下可能导致线程饥饿。
二、同步非阻塞
同步非阻塞模型允许一个线程在等待资源时不阻塞，而是可以继续执行其他逻辑。这通常涉及到使用一些原子操作api，如java.util.concurrent.atomic包中的类。
代码示例
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
public class SyncNonBlockingExample {
private static final AtomicBoolean lock = new AtomicBoolean(false);
public static void main(String[] args) {
Runnable task = () -> {
while (!lock.compareAndSet(false, true)) {
// Busy wait (not recommended in production)
}
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Acquired the lock");
// Simulate some work
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.set(false);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Released the lock");
}
};
Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");
t1.start();
t2.start();
}
}
在这个例子中，compareAndSet方法实现了非阻塞的同步。虽然线程在忙等待，但它带来了更低的上下文切换开销。
三、异步非阻塞
异步非阻塞模型进一步提升了并发性能，通过回调、Future或CompletableFuture等方式，将任务的结果处理异步化。这种模型常用于高并发的网络服务。
代码示例
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class AsyncNonBlockingExample {
public static void main(String[] args) {
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Executing task");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Task completed");
});
future.thenRun(() -> System.out.println("Task has finished execution"));
System.out.println("Main thread is free to do other work...");
future.join(); // Wait for the async task to complete
}
}
在这个异步任务的例子中，主线程不会被阻塞，而是可以继续执行其他逻辑。完成后，通过回调机制处理结果。
四、执行流程可视化
甘特图
使用 mermaid 语法的甘特图可以清晰地展示三个模型的执行时间如下：
gantt
title 执行模型甘特图
section 同步阻塞
Thread-1 :active, des1, 0s, 2s
Thread-2 : des2, 2s, 2s
section 同步非阻塞
Thread-1 :active, des1, 0s, 2s
Thread-2 : des2, 0.5s, 2s
section 异步非阻塞
主线程 :active, des1, 0s, 0.5s
异步任务 :active, des2, 0.5s, 2s
在甘特图中，可以看到不同模型下线程的执行时序，图示化帮助理解不同模型的优势与缺陷。
流程图
接下来是不同执行模型的流程图，使用 mermaid 创建如下：
flowchart TD
A[请求资源] --> B{资源是否可用?}
B -->|是| C[执行任务]
B -->|否| D[阻塞线程] --> B
C --> E[任务完成]
F[请求资源] --> G{资源是否可用?}
G -->|是| H[执行任务]
G -->|否| I[忙等待] --> G
H --> J[任务完成]
K[请求资源] -.-> L[异步执行]
L --> M[执行任务]
M --> N[任务完成]
结尾
不同的执行模型在每种情境下都有其独特的优势和劣势。同步阻塞模型适合简单的场景，而在并发量大的情况下，同步非阻塞和异步非阻塞则显得更加高效。在具体的应用中，选择合适的模型能够确保高效利用系统资源，提升程序的响应速度和性能。希望通过本文的介绍，你能对 Java 的同步阻塞、同步非阻塞和异步非阻塞有更深入的理解。
