JUC并发编程
1.1 JUC简介
JUC就是java.util.concurrent工具包的简称。这是一个处理线程的工具包，JDK1.5开始出现的。
1.2 线程和进程概念
1.2.1 进程与线程
进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系 统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。 在当代面向线程 设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的 描述，进程是程序的实体。是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活 动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是 指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
线程（thread） 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之 中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流， 一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
总结来说:
进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；资源分配的最小单位是进程。
线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个 单元执行流。程序执行的最小单位是线程。
1.2.2 线程的状态
1）线程状态枚举类
public enum State {
/**
* Thread state for a thread which has not yet started.
*/
NEW,(新建)
/**
* Thread state for a runnable thread. A thread in the runnable
* state is executing in the Java virtual machine but it may
* be waiting for other resources from the operating system
* such as processor.
*/
RUNNABLE,（准备就绪）
/**
* Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
* A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
* to enter a synchronized block/method or
* reenter a synchronized block/method after calling
* {@link Object#wait() Object.wait}.
*/
BLOCKED,（阻塞）
/**
* Thread state for a waiting thread.
* A thread is in the waiting state due to calling one of the
* following methods:
*
* - {@link Object#wait() Object.wait} with no timeout
* - {@link #join() Thread.join} with no timeout
* - {@link LockSupport#park() LockSupport.park}
*
*
* A thread in the waiting state is waiting for another thread to
* perform a particular action.
*
* For example, a thread that has called Object.wait()
* on an object is waiting for another thread to call
* Object.notify() or Object.notifyAll() on
* that object. A thread that has called Thread.join()
* is waiting for a specified thread to terminate.
*/
WAITING,（不见不散）
/**
* Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
* A thread is in the timed waiting state due to calling one of
* the following methods with a specified positive waiting time:
*
* - {@link #sleep Thread.sleep}
* - {@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout
* - {@link #join(long) Thread.join} with timeout
* - {@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}
* - {@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}
*
*/
TIMED_WAITING,（过时不候）
/**
* Thread state for a terminated thread.
* The thread has completed execution.
*/
TERMINATED;(终结)
}
线程状态：
1）NEW,(新建)
2）RUNNABLE,（准备就绪）
3）BLOCKED,（阻塞）
4）WAITING,（不见不散）：一直等待下去，不拿到锁不会执行
5）TIMED_WAITING,（过时不候）:可以设置等待时间
6）TERMINATED;(终结)
1.2.3 wait/sleep 的区别
1）sleep 是 Thread 的静态方法；wait 是 Object 的方法，任何对象实例都能调用。
2）sleep 不会释放锁，它也不需要占用锁。wait 会释放锁，但调用它的前提 是当前线程占有锁(即代码要在 synchronized 中)。
3）它们都可以被 interrupted 方法中断。
1.2.4 并行与并发
1）串行模式
串行表示所有任务都一一按先后顺序进行。串行意味着必须先装完一车柴才能 运送这车柴，只有运送到了，才能卸下这车柴，并且只有完成了这整个三个步 骤，才能进行下一个步骤。
串行是一次只能取得一个任务，并执行这个任务。
2）并行模式
并行意味着可以同时取得多个任务，并同时去执行所取得的这些任务。并行模 式相当于将长长的一条队列，划分成了多条短队列，所以并行缩短了任务队列的长度。并行的效率从代码层次上强依赖于多进程/多线程代码，从硬件角度上 则依赖于多核 CPU。
3）并发
并发(concurrent)指的是多个程序可以同时运行的现象，更细化的是多进程可以同时运行或者多指令可以同时运行。但这不是重点，在描述并发的时候也不会去扣这种字眼是否精确，并发的重点在于它是一种现象, 并发描述的是多进程同时运行的现象。但实际上，对于单核心 CPU 来说，同一时刻只能运行一个线程。所以，这里的"同时运行"表示的不是真的同一时刻有多个线程运行的现象，这是并行的概念，而是提供一种功能让用户看来多个程序同时运行起来了，但实际上这些程序中的进程不是一直霸占CPU的，而是执行一会停一会。 要解决大并发问题，通常是将大任务分解成多个小任务, 由于操作系统对进程的调度是随机的，所以切分成多个小任务后，可能会从任一小任务处执行。
这可能会出现一些现象：
• 可能出现一个小任务执行了多次，还没开始下个任务的情况。这时一般会采用队列或类似的数据结构来存放各个小任务的成果
• 可能出现还没准备好第一步就执行第二步的可能。这时，一般采用多路复用或异步的方式，比如只有准备好产生了事件通知才执行某个任务。
• 可以多进程/多线程的方式并行执行这些小任务。也可以单进程/单线程执行这些小任务，这时很可能要配合多路复用才能达到较高的效率
4）小结(重点)
并发：同一时刻多个线程在访问同一个资源，多个线程对一个点 例子：春运抢票 电商秒杀...
并行：多项工作一起执行，之后再汇总 例子：泡方便面，电水壶烧水，一边撕调料倒入桶中
1.2.5 管程
管程(monitor)是保证了同一时刻只有一个进程在管程内活动,即管程内定义的操作在同一时刻只被一个进程调用(由编译器实现).但是这样并不能保证进程以设计的顺序执行JVM 中同步是基于进入和退出管程(monitor)对象实现的，每个对象都会有一个管程(monitor)对象，管程(monitor)会随着 java 对象一同创建和销毁执行线程首先要持有管程对象，然后才能执行方法，当方法完成之后会释放管程，方法在执行时候会持有管程，其他线程无法再获取同一个管程
1.2.6 用户线程和守护线程
1）用户线程:平时用到的普通线程,自定义线程
2）守护线程:运行在后台,是一种特殊的线程,比如垃圾回收
当主线程结束后,用户线程还在运行,JVM 存活
如果没有用户线程,都是守护线程,JVM 结束
2.1 Lock接口
2.1 Synchronized
2.1.1 Synchronized 关键字回顾
synchronized 是 Java 中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：
1）修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{ }括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
2）修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用 的对象是调用这个方法的对象；
虽然可以使用 synchronized 来定义方法，但 synchronized 并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized 关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了 synchronized 关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上 synchronized 关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方 法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。
3）修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；
4）修改一个类，其作用的范围是 synchronized 后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。
2.1.2 售票案例
1）先创建SaleTicket类
2）编写多线程案列代码
//第一步：创建资源类，定义属性和操作方法
class Ticket {
//定义属性：票数
private int number = 30;
//操作方法：卖票
public synchronized void sale() { //synchronized修饰卖票方法sale()加同步锁
//判断：是否有票
if (number > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "{卖出：第"
+ (number--) + "张票," + "剩下：" + number + "张票}");
}
}
}
public class SaleTicket {
//第二部：创建多个线程，调用资源类的“卖票”操作方法
public static void main(String[] args) {
//创建Ticket资源类对象
Ticket ticket = new Ticket();
//创建循环条件：重复调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
//创建线程的方式后面会说，现在先使用实现Runnable接口的run()方法创建一个线程！！
//创建第一个线程；
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
ticket.sale();
}
//"name":线程名字
}, "AA").start();//.start():线程启动(开启)
//创建第二个线程
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
ticket.sale();
}
//"name":线程名字
}, "BB").start();
//创建第三个线程
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
ticket.sale();
}
//"name":线程名字
}, "CC").start();
}
}
}3）执行方法，查看代码运行结果
如果一个代码块被 synchronized 修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：
1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
2）线程执行发生异常，此时 JVM 会让线程自动释放锁。 那么如果这个获取锁的线程由于要等待 IO 或者其他原因（比如调用 sleep 方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。 因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock 就可以办到。
2.2 什么是 Lock
Lock 锁实现提供了比使用同步方法和语句可以获得的更广泛的锁操作。它们允 许更灵活的结构，可能具有非常不同的属性，并且可能支持多个关联的条件对 象。Lock 提供了比 synchronized 更多的功能。
Lock与Synchronized 区别：
1）Lock 不是 Java 语言内置的，synchronized 是 Java 语言的关键字，因此是内置特性。Lock 是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
2）Lock 和 synchronized 有一点非常大的不同，采用 synchronized 不需要用户去手动释放锁，当 synchronized 方法或者 synchronized 代码块执行完之后， 系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock 则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。
2.2.1 Lock 接口
Lock 接口中的方法：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}2.2.2 lock
lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他 线程获取，则进行等待。 采用 Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用 Lock 必须在 try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在 finally 块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用 Lock 来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：
Lock lock = ...;
lock.lock(); //上锁
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}2.2.3售票案例
1）创建LSaleTicket类
2）编写多线程案列代码
package com.atguigu.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
//第一步：创建资源类，定义属性和操作方法
class LTicket {
//属性：票数量
private int number = 30;
//创建可重用锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//卖票方法，这次不用synchronized关键字修饰方法，使用lock手动上锁、释放锁
public void sale() {
//先上锁
lock.lock();
try {
//判断：是否有票
if (number > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "{卖出：第"
+ (number--) + "张票," + "剩下：" + number + "张票}");
}
} finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}
}
public class LSaleTicket {
//第二步：创建多个线程，调用资源类的“卖票”操作方法
public static void main(String[] args) {
//创建LTicket资源类对象
LTicket lTicket = new LTicket();
//创建第一个线程
new Thread(() -> {
//创建循环条件：重复调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
lTicket.sale();
}
}, "AA").start();
//创建第二个线程
new Thread(() -> {
//创建循环条件：重复调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
lTicket.sale();
}
}, "BB").start();
//创建第三个线程
new Thread(() -> {
//创建循环条件：重复调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
lTicket.sale();
}
}, "CC").start();
}
}
3）执行方法，查看代码运行结果
1、多线程编程步骤：上部与中部
案列：
/**
* 案列：初始化一个值
* 当值为0时，+1
* 当值为1时，-1
*/
//第一步：创建资源类，定义属性和操作方法
class Share{
//初始值
private int number = 0;
//number 加 1 方法
public synchronized void incr() throws InterruptedException {
//第二步：在资源类中操作方法
//1、判断
if (number != 0){
this.wait();
}
//2、干活
number ++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
//3、通知
this.notifyAll(); //notifyAll():唤醒所有线程
}
//number 减 1 方法
public synchronized void decr() throws InterruptedException {
//第二步：在资源类中操作方法
//1、判断
if (number != 1){
this.wait();
}
//2、干活
number --;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
//3、通知
this.notifyAll(); //notifyAll():唤醒所有线程
}
}
public class ThreadDemo1 {
//第三步：创建多个线程，调用资源类的操作方法
public static void main(String[] args) {
//创建TShare资源类对象
Share share = new Share();
//创建线程，调用资源类 加1 方法
new Thread(()->{
//创建循环条件：重复调用方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
try {
share.incr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"AA").start();
//创建线程，调用资源类 减1 方法
new Thread(()->{
//创建循环条件：重复调用方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
try {
share.decr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"BB").start();
}
}关键字 synchronized 与 wait()/notify()这两个方法一起使用可以实现等待/通知模式
执行结果
这里有个问题，当创建多个线程的时候，会出现数据错乱：
原因就是 if 跟这个 wait()方法
wait()方法在哪等待，被唤醒后，就直接往下执行，不会再过if()判断条件。所以，需要把if改为while
现在创建多个线程，再次执行方法，数据就正常了
if() 与 while()区别：
if( )括号里的内容和while()里的内容都是判定句，判定为真则执行语句，假则不执行语句。不同点就是if没有循环的性子，一旦执行过后就跳出语句，而while判定为真后执行它下面的语句，执行完后返回括号里继续判定，判定为真继续执行语句知道括号里判定为假为止。
2、多线程编程步骤：上部、中部、下部
防止虚假唤醒问题：使用lock接口 newCondition
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 案列：初始化一个值
* 当值为0时，+1
* 当值为1时，-1
*/
//第一步：创建资源类，定义属性和操作方法
class Share {
//初始值
private int number = 0;
//创建 lock对象
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
//+1 方法
public void incr() {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (number != 0) {
//等待
condition.await();
}
//干活
number++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
//通知
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
//-1 方法
public void decr() {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (number != 1) {
//等待
condition.await();
}
//干活
number--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
//通知
condition.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
}
public class ThreadDemo2 {
//第三步：创建多个线程，调用资源类的操作方法
public static void main(String[] args) {
//创建资源类
Share share = new Share();
//创建第一个线程
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
share.incr();
}
},"AA").start();
//创建第二个线程
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
share.decr();
}
},"BB").start();
//创建第三个线程
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
share.incr();
}
},"CC").start();
//创建第四个线程
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
share.decr();
}
},"DD").start();
}
}执行结果：
Lock 锁的 newContition()方法返回 Condition 对象，Condition 类
也可以实现等待/通知模式。
用 notify()通知时，JVM 会随机唤醒某个等待的线程， 使用 Condition 类可以
进行选择性通知， Condition 比较常用的两个方法：
• await()会使当前线程等待,同时会释放锁,当其他线程调用 signal()时,线程会重
新获得锁并继续执行。
• signal()用于唤醒一个等待的线程。
注意：在调用 Condition 的 await()/signal()方法前，也需要线程持有相关
的 Lock 锁，调用 await()后线程会释放这个锁，在 singal()调用后会从当前
Condition 对象的等待队列中，唤醒一个线程，唤醒的线程尝试获得锁， 一旦
获得锁成功就继续执行。
2.3 ReentrantLock
ReentrantLock 意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念将在后面讲述。
ReentrantLock 是唯一实现了 Lock 接口的类，并且 ReentrantLock 提供了更多的方法。
通过一些实例看具体看一下如何使用：
import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test {
ArrayList arrayList = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
} 执行结果：
2.4 ReadWriteLock
ReadWriteLock 也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock(); //获取读锁
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock(); //获取写锁
}一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成 2 个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。
下面的 ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口。
ReentrantReadWriteLock 里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个 方法：readLock()和 writeLock()用来获取读锁和写锁。
通过几个例子来看一下 ReentrantReadWriteLock 具体用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下 synchronized 达到的效果：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class Test1 {
ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test1 test = new Test1();
new Thread(){
public void run() { test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public synchronized void get(Thread thread) {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
}
}而改成用读写锁的话：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class Test2 { private ReentrantReadWriteLock rwl = new
ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test2 test = new Test2();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void get(Thread thread) {
rwl.readLock().lock();
try {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}说明 thread1 和 thread2 在同时进行读操作。这样就大大提升了读操作的效率。
注意:
• 如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写 锁的线程会一直等待释放读锁。
• 如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则 申请的线程会一直等待释放写锁。
2.5 小结(重点)
Lock 和 synchronized 有以下几点不同：
1、Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
2、synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现 象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很 可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁；
3、Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
4、通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
5、Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。 在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于 synchronized。
3 线程间通信
线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递，以下方式都是基本这两种模型来实现的。
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