Java開發者必知的8個現代併發編程技巧：從CompletableFuture到虛擬線程實戰

引言

在現代軟件開發中，併發編程已成為提升系統性能的關鍵手段。隨着Java語言的持續演進，從JDK 5的java.util.concurrent到JDK 21的虛擬線程（Virtual Threads），Java為開發者提供了越來越強大的工具來應對高併發場景。本文將深入探討8個現代Java併發編程的核心技巧，涵蓋從高級API如CompletableFuture到底層創新的虛擬線程實戰，幫助開發者在實際項目中構建高性能、可維護的併發系統。

1. CompletableFuture：異步編程的藝術

為什麼選擇CompletableFuture？

作為Future的增強版，CompletableFuture（JDK 8+）解決了傳統異步編程的回調地獄問題。其核心優勢在於：

  • 鏈式調用：支持thenApply, thenAccept, thenCombine等操作
  • 異常處理：通過exceptionally和handle方法
  • 組合能力：可合併多個異步任務（allOf/anyOf）

實戰示例

CompletableFuture.supplyAsync(() -> fetchUserData(userId))
    .thenApplyAsync(user -> enrichUserData(user))
    .thenAcceptAsync(enrichedUser -> sendNotification(enrichedUser))
    .exceptionally(ex -> { log.error("Error:", ex); return null; });

2. Reactive Streams與Project Reactor

Backpressure機制

響應式編程通過背壓(Backpressure)解決生產者-消費者速度不匹配問題。Project Reactor提供：

  • Flux: 0-N個元素的發佈者
  • Mono: 0-1個元素的發佈者

關鍵操作符

Flux.range(1, 100)
    .delayElements(Duration.ofMillis(10))
    .onBackpressureBuffer(50) // 緩衝區控制
    .subscribe(System.out::println);

3. ExecutorService進階配置

最佳線程池實踐

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    4, // corePoolSize
    16, // maximumPoolSize 
    60, TimeUnit.SECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<>(1000),
    new CustomThreadFactory(),
    new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

關鍵參數解析：

  • corePoolSize: CPU密集型建議N+1，I/O密集型建議2N
  • workQueue: ArrayBlockingQueue vs LinkedBlockingQueue
  • RejectedExecutionHandler: JDK提供的4種拒絕策略對比

4. ForkJoinPool與工作竊取算法

RecursiveTask實戰

class FibonacciTask extends RecursiveTask<Long> {
    protected Long compute() {
        if (n <= THRESHOLD) return sequentialCompute();
        FibonacciTask f1 = new FibonacciTask(n - 1);
        f1.fork();
        FibonacciTask f2 = new FibonacciTask(n - 2);
        return f2.compute() + f1.join();
    }
}

注意點：

  • fork/join的成本邊界（THRESHOLD設置）
  • Java並行流的底層實現機制

5. StampedLock：樂觀鎖新選擇

相比傳統的synchronized和ReentrantLock，StampedLock提供三種模式：

StampedLock lock = new StampedLock();

// OPTIMISTIC READ模式（無阻塞）
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
validate(stamp); // Check if the read was valid

// WRITE模式（排他鎖）
long writeStamp = lock.writeLock();

// UPGRADABLE READ模式（可升級為寫鎖）
long readStamp = lock.readLock();
try {
    while (condition) {
        long ws = lock.tryConvertToWriteLock(readStamp);
        if (ws != 0L) {
            readStamp = ws;
            break;
        }
    }
} finally { lock.unlock(readStamp); }

6. VarHandle與內存屏障精細控制

JDK9引入的VarHandle提供了比Unsafe更安全的底層操作：

class AtomicCounter {
    private volatile int count;
    private static final VarHandle COUNT_HANDLE;

    static {
        try {
            COUNT_HANDLE = MethodHandles.lookup()
                .findVarHandle(AtomicCounter.class, "count", int.class);
        } catch (Exception e) { throw new Error(e); }
    }

    public void increment() {
        COUNT_HANDLE.getAndAdd(this, 1);
    }
}

優勢：