JUC多线程并发编程
JUC并发编程
一、JUC概念
1. 什么是JUC
在 Java 中，线程部分是一个重点，本篇文章说的 JUC 也是关于线程的。JUC就是 java.util .concurrent 工具包的简称。这是一个处理线程的工具包，JDK 1.5 开始出现的。
2. 线程和进程的概念
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。
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；进程——资源分配的最小单位。
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。线程——程序执行的最小单位。
2.2 线程的状态
2.2.1 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)
}
2.3 wait和sleep
（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。
2.4 并发和并行
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。
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。
并发
并发(concurrent)指的是多个程序（多个线程）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（线程）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
小结
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
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
在java中是一种锁的概念，在操作系统中表现为Monitor监视器
这是一种同步机制，保证同一个时间，只有一个线程访问被保护的资源
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
2.6 用户线程和守护线程
用户线程:平时用到的普通线程,自定义线程
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
代码示例
//演示用户线程和守护线程
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread aa = new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "::" + Thread.currentThread().isDaemon());
while (true) {
}
}, "aa");
//设置守护线程
aa.setDaemon(true);
aa.start();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" over");
}
}
二、Lock接口
1.Synchronized
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：
- 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；
- 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。
- 修饰一个静态的方法，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；
- 修饰一个类，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。
案例
//第一步 创建资源类，定义属性和和操作方法
class Ticket {
//票数
private int number = 30;
//操作方法：卖票
public synchronized void sale() {
//判断：是否有票
if(number > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : 卖出："+(number--)+" 剩下："+number);
}
}
}
public class SaleTicket {
//第二步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
public static void main(String[] args) {
//创建Ticket对象
Ticket ticket = new Ticket();
//创建三个线程
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
}
},"AA").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
}
},"BB").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用卖票方法
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
}
},"CC").start();
}
}
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. LOCK
2.1 简单介绍
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 与的 Synchronized 区别
•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；
• 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 lock接口
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
下面来逐个讲述 Lock 接口中每个方法的使用
2.2.1 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();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
2.2.2 newCondition
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， 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。
2.2.3 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。下面通过一些实例看具体看一下如何使用。
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
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();
}
}
}
2.2.4 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();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing
*/
Lock writeLock();
}
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。
下面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：
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new
ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
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：
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new
ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
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。
2.3小结
Lock 和 synchronized 有以下几点不同：
- Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
- 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；
- 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；
- 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而synchronized 却无法办到。
- 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。
三、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。
在讲解线程间通信之前我们先来复习一下多线程编程步骤
多线程编程步骤
第一步 创建资源类，在资源类创建属性和操作方法
第二步 在资源类操作方法 （1） 判断 （2）干活 （3）通知
第三步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
第四步 防止虚假唤醒问题(下面案例会讲解)
我们来基本一道面试常见的题目来分析
场景—两个线程，一个线程对当前数值加 1，另一个线程对当前数值减 1,要求用线程间通信
1.synchronized 方案
使用wait（）方法是线程等待
使用notify（）、notifyAll（）方法唤醒线程
//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;
//+1的方法
public synchronized void incr() throws InterruptedException {
//第二步 判断 干活 通知
if(number != 0) { //判断number值是否是0，如果不是0，等待
this.wait(); //在哪里睡，就在哪里醒
}
//如果number值是0，就+1操作
number++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
//通知其他线程
this.notifyAll();
}
//-1的方法
public synchronized void decr() throws InterruptedException {
//判断
if(number != 1) {
this.wait();
}
//干活
number--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
//通知其他线程
this.notifyAll();
}
}
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) {
Share share = new Share();
//创建线程
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.incr(); //+1
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"AA").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.decr(); //-1
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"BB").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.incr(); //+1
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"CC").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.decr(); //-1
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"DD").start();
}
}
我们预期的结果是四个线程使资源在0,1,0,1之间切换，但实际运行结果如下
出现该问题的原因就是虚假唤醒导致的
虚假唤醒
虚假唤醒(spurious wakeup)是指线程通过判断（如果是if判断），符合条件就进入阻塞，当该线程被其他线程唤醒（在哪里阻塞就在哪里唤醒），就不会判断是否满足if条件，直接程序往下 执行。因为如果不符合if条件判断是不应该执行的，但是该线程却真实的执行了。所以使用if条件判断进入wait阻塞被唤醒后可能出现虚假唤醒问题
解决办法
我们需要修改if判断，把他改为while，这样线程就算被唤醒了，仍会被while识别进行判断，而不会跳过判断直接进行工作，如下所示，把两个方法的判断条件改为while
while(number != 0) { //判断number值是否是0，如果不是0，等待
this.wait(); //在哪里睡，就在哪里醒
}
while(number != 1) {
this.wait();
}
2.Lock 方案
使用lock（）方法进行上锁，使用unlock（）方法进行解锁
使用Condition类的await（）方法是线程进入等待
使用Condition类的signal()、signalAll()方法唤醒线程
//第一步 创建资源类，定义属性和操作方法
class Share {
private int number = 0;
//创建Lock
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
//+1
public void incr() throws InterruptedException {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (number != 0) {
condition.await();
}
//干活
number++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
//通知
condition.signalAll();
}finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}
//-1
public void decr() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while(number != 1) {
condition.await();
}
number--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
condition.signalAll();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class ThreadDemo2 {
public static void main(String[] args) {
Share share = new Share();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.incr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"AA").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.decr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"BB").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.incr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"CC").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
share.decr();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"DD").start();
}
}
四、线程间定制化通信
使用标志进行定制化通信，实现流程
代码
//第一步 创建资源类
class ShareResource {
//定义标志位
private int flag = 1; // 1 AA 2 BB 3 CC
//创建Lock锁
private Lock lock = new ReentrantLock();
//创建三个condition
private Condition c1 = lock.newCondition();
private Condition c2 = lock.newCondition();
private Condition c3 = lock.newCondition();
//打印5次，参数第几轮
public void print5(int loop) throws InterruptedException {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while(flag != 1) {
//等待
c1.await();
}
//干活
for (int i = 1; i <=5; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
}
//通知
flag = 2; //修改标志位 2
c2.signal(); //通知BB线程
}finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
//打印10次，参数第几轮
public void print10(int loop) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while(flag != 2) {
c2.await();
}
for (int i = 1; i <=10; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
}
//修改标志位
flag = 3;
//通知CC线程
c3.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
//打印15次，参数第几轮
public void print15(int loop) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while(flag != 3) {
c3.await();
}
for (int i = 1; i <=15; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
}
//修改标志位
flag = 1;
//通知AA线程
c1.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class ThreadDemo3 {
public static void main(String[] args) {
ShareResource shareResource = new ShareResource();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
shareResource.print5(i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"AA").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
shareResource.print10(i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"BB").start();
new Thread(()->{
for (int i = 1; i <=10; i++) {
try {
shareResource.print15(i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"CC").start();
}
}
五、集合的线程安全
5.1 ArraryList集合线程不安全
不安全演示
public class ThreadDemo4 {
public static void main(String[] args) {
//创建ArrayList集合
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i <30; i++) {
new Thread(()->{
//向集合添加内容
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
//从集合获取内容
System.out.println(set);
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
可以看到出现了并发修改异常
解决方案
5.1.1 Vector
Vector 是矢量队列，它是 JDK1.0 版本添加的类。继承于 AbstractList，实现了 List, RandomAccess, Cloneable 这些接口。 Vector支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能。 实现了 RandmoAccess 接口，提供了随机访问功能。在Vector 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。 Vector 实现了Cloneable 接口，即实现 clone()函数。它能被克隆。
和 ArrayList 不同，Vector 中的操作是线程安全的。
查看源代码可以看到Vector的方法基本上都是同步方法，解决了线程安全问题
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
在测试代码中把List修改为Vector即可实现线程安全,但此方法用的比较少
List<String> list = new Vector<>();
5.1.2 Collections
Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的，该方法返回指定列表支持的同步（线程安全的）列表
所以把测试代码改为如下所示即可实现线程安全，此方法也比较古老，很少使用
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
5.1.3 CopyOnWriteArrayList
涉及的底层原理为写时复制技术
- 读的时候并发（多个线程操作）
- 写的时候独立，写把原来的集合复制一份，然后添加上新的内容，添加完成后用新的集合覆盖旧的集合
相关源码
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
所以把测试代码改为如下所示即可实现线程安全
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
详解CopyOnWriteArrayList
它相当于线程安全的 ArrayList。和 ArrayList 一样，它是个可变数组；但是和ArrayList 不同的是，它具有以下特性：
- 它最适合于具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
- 它是线程安全的。
- 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
- 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
- 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
线程安全实现原理
- 独占锁效率低：采用读写分离思想解决
- 写线程获取到锁，其他写线程阻塞
- 复制思想：
当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行 Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。
这时候会抛出来一个新的问题，也就是数据不一致的问题。如果写线程还没来得及写会内存，其他的线程就会读到了脏数据。
总结来说 CopyOnWriteArrayList 的思想和原理。就是拷贝一份
动态数组与线程安全
下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList 的原理进行说明。
• “动态数组”机制
o 它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据添加到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile 数组”, 这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因
o 由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList 效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
• “线程安全”机制
o 通过 volatile 和互斥锁来实现的。
o 通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证。
o 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组”中，然后再“释放互斥锁”，就达到了保护数据的目的。
5.2 HashSet线程不安全
public class ThreadDemo4 {
public static void main(String[] args) {
//演示Hashset
Set<String> set = new HashSet<>();
for (int i = 0; i <30; i++) {
new Thread(()->{
//向集合添加内容
set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
//从集合获取内容
System.out.println(set);
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
运行可知使用HashSet<>()也会导致ConcurrentModificationException
把代码修改为如下所示即可实现线程安全
Set<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();
5.3 HashMap线程不安全
public class ThreadDemo4 {
public static void main(String[] args) {
//演示HashMap
Map<String,String> map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i <30; i++) {
String key = String.valueOf(i);
new Thread(()->{
//向集合添加内容
map.put(key,UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
//从集合获取内容
System.out.println(map);
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
运行可知使用HashMap<>()也会导致ConcurrentModificationException
把代码修改为如下所示即可实现线程安全
Map<String,String> map = new ConcurrentHashMap<>();
5.4 小结
1.线程安全与线程不安全集合
集合类型中存在线程安全与线程不安全的两种,常见例如:
ArrayList ----- Vector
HashMap -----HashTable
但是以上都是通过 synchronized 关键字实现,效率较低
2.Collections 构建的线程安全集合
3.java.util.concurrent 并发包下
CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet类型,通过动态数组与线程安
全个方面保证线程安全
六、多线程锁
synchronized 实现同步的基础：Java 中的每一个对象都可以作为锁。
具体表现为以下 3 种形式。
对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象。
对于同步方法块，锁是 Synchonized 括号里配置的对象
6.1 代码示例
class Phone {
public static synchronized void sendSMS() throws Exception {
//停留4秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
System.out.println("------sendSMS");
}
public synchronized void sendEmail() throws Exception {
System.out.println("------sendEmail");
}
public void getHello() {
System.out.println("------getHello");
}
}
public class Lock_8 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Phone phone = new Phone();
Phone phone2 = new Phone();
new Thread(() -> {
try {
phone.sendSMS();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}, "AA").start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
try {
// phone.sendEmail();
// phone.getHello();
phone2.sendEmail();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}, "BB").start();
}
}
/** * @Description: 8锁 *1 标准访问，先打印短信还是邮件------sendSMS------sendEmail2 停4秒在短信方法内，先打印短信还是邮件------sendSMS------sendEmail3 新增普通的hello方法，是先打短信还是hello------getHello------sendSMS4 现在有两部手机，先打印短信还是邮件------sendEmail------sendSMS5 两个静态同步方法，1部手机，先打印短信还是邮件------sendSMS------sendEmail6 两个静态同步方法，2部手机，先打印短信还是邮件------sendSMS------sendEmail7 1个静态同步方法,1个普通同步方法，1部手机，先打印短信还是邮件------sendEmail------sendSMS8 1个静态同步方法,1个普通同步方法，2部手机，先打印短信还是邮件------sendEmail------sendSMS */
结论:
-
对于非静态同步方法，由于锁是当前实例的对象
- 同一个对象，调用该类的不同的非静态同步方法，需要等待锁的释放
- 不同的对象，无需等待锁，按顺序执行
-
对于静态的同步方法，由于锁的是当前类的Class对象
- 不管是不是同一个实例对象调用静态的同步方法，都需要等到锁
-
非静态同步方法，静态的同步方法使用的不是同一个锁
- 不管是不是同一个实例对象，按顺序执行
-
对于非同步方法，没有锁的概念，无需等待锁
6.2 公平锁和非公平锁
- 公平锁：效率相对低
- 非公平锁：效率高，但是线程容易饿死
ReentrantLock()就采用了公平锁和非公平锁，有参构造器当传入参数为true则为公平锁，false为非公平锁。无参默认非公平锁
ReentrantLock()源码
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
/**
* Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
* given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
/**
* Sync object for non-fair locks
* 非公平锁直接占据位置进行操作
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
/**
* Sync object for fair locks
* 公平锁在执行具体操作之前会先判断问询是否有人在排队!hasQueuedPredecessors()，没人才进行操作
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
使用前面的售票例子来演示
//第一步 创建资源类，定义属性和和操作方法
class LTicket {
//票数量
private int number = 30;
//创建可重入锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//卖票方法
public void sale() {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断是否有票
if(number > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ：卖出"+(number--)+" 剩余："+number);
}
} finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}
}
public class LSaleTicket {
//第二步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
//创建三个线程
public static void main(String[] args) {
LTicket ticket = new LTicket();
new Thread(()-> {
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
},"AA").start();
new Thread(()-> {
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
},"BB").start();
new Thread(()-> {
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ticket.sale();
}
},"CC").start();
}
}
使用非公平锁
使用公平锁
上述结果可以看出，非公平锁可能导致任务都由一个线程完成，其他线程没有执行该任务。而公平锁能保证每个线程都能执行到任务
6.3 可重入锁
synchronized和lock都是可重入锁
- sychronized是隐式锁，不用手工上锁与解锁，而lock为显示锁，需要手工上锁与解锁
- 可重入锁也叫递归锁
有了可重入锁之后，破解第一把锁之后就可以一直进入到内层结构
synchronized演示可重入锁
public class SyncLockDemo {
public static void main(String[] args) {
// synchronized
Object o = new Object();
new Thread(()->{
synchronized(o) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 外层");
synchronized (o) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 中层");
synchronized (o) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 内层");
}
}
}
},"t1").start();
}
}
public class SyncLockDemo {
public synchronized void add() {
add();
}
public static void main(String[] args) {
new SyncLockDemo().add();
}
}
lock演示可重入锁
public class SyncLockDemo {
public static void main(String[] args) {
//Lock演示可重入锁
Lock lock = new ReentrantLock();
//创建线程
new Thread(()->{
try {
//上锁
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 外层");
try {
//上锁
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 内层");
}finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}finally {
//释放做
lock.unlock();
}
},"t1").start();
}
锁问题演示
假如有一个锁没有释放，对自己来说没有什么影响，但是对于新进入的要获取锁的线程，他会进入等待无法进行操作
public class SyncLockDemo {
public static void main(String[] args) {
//Lock演示可重入锁
Lock lock = new ReentrantLock();
//创建线程
new Thread(()->{
try {
//上锁
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 外层");
try {
//上锁
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 内层");
}finally {
//释放锁
//lock.unlock();
}
}finally {
//释放做
lock.unlock();
}
},"t1").start();
//创建新线程
new Thread(()->{
lock.lock();
System.out.println("aaaa");
lock.unlock();
},"aa").start();
}
可以看到，在同一把锁中的嵌套锁，内部嵌套锁没解锁还是可以输出，但是如果跳出该线程，执行另外一个线程就会造成死锁
因此，每次都应该上锁与解锁都操作，不能忘记释放锁
6.4 死锁
概念：两个或以上的进程因为争夺资源而造成互相等待资源的现象，如果没有外力干涉，他们无法继续执行下去
产生死锁的原因：
- 系统资源不足
- 系统资源分配不当
- 进程运行顺序不当
验证是否是死锁
- jps 类似于linux中的
ps -ef查看进程号 - jstack 自带的堆栈跟踪工具
死锁代码
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Object a = new Object();
Object b = new Object();
new Thread(()->{
synchronized(a){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "持有锁a,想获得锁b");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (b){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁b");
}
}
},"AA").start();
new Thread(()->{
synchronized(b){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "持有锁b,想获得锁a");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (a){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁a");
}
}
},"BB").start();
}
}
如下所示，两个线程都在等待对方的资源，陷入死锁
使用jstack命令查看，可以直观看出发生死锁
七、Callable接口
创建线程的方法
- 继承Thread类，实现run方法
- 实现Runnable接口，实现run方法
- Callable接口，实现call方法
- 线程池
7.1 Callable接口
目前我们学习了有两种创建线程的方法-一种是通过创建 Thread 类，另一种是通过使用 Runnable 创建线程。但是，Runnable 缺少的一项功能是，当线程终止时（即 run（）完成时），我们无法使线程返回结果。为了支持此功能，Java 中提供了 Callable 接口。
Runnable接口和Callable接口比较
- 是否有返回值
- 是否抛出异常
- 实现方法名称不同，一个是run方法，一个是call方法
Callable 接口的特点如下
• 为了实现 Runnable，需要实现不返回任何内容的 run（）方法，而对于Callable，需要实现在完成时返回结果的 call（）方法。
• call（）方法可以引发异常，而run（）则不能。
• 为实现 Callable 而必须重写 call 方法
• 不能直接替换 runnable,因为 Thread 类的构造方法根本没有 Callable
示例
//比较两个接口
//实现Runnable接口
class MyThread1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
}
}
//实现Callable接口
class MyThread2 implements Callable {
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" come in callable");
return 200;
}
}
因为Thread的构造函数中没有Callable接口的参数设置，无法直接使用new Thread(new MyThread2(),"BB").start();方法创建线程
因此需要找一个类，即和Runnable接口有关系，又和Callable接口有关系
发现Runnable接口有实现类FutureTask（中间对象）
FutureTask的构造函数有Callable参数，通过FutureTask创建线程对象
7.2 Future 接口
当 call（）方法完成时，结果必须存储在主线程已知的对象中，以便主线程可以知道该线程返回的结果。为此，可以使用 Future 对象将 Future 视为保存结果的对象–它可能暂时不保存结果，但将来会保存（一旦Callable 返回）。Future 基本上是主线程可以跟踪进度以及其他线程的结果的一种方式。要实现此接口，必须重写 5 种方法，这里列出了重要的方法,如下:
• public boolean cancel（boolean mayInterrupt）：用于停止任务。如果尚未启动，它将停止任务。如果已启动，则仅在 mayInterrupt 为 true时才会中断任务。
• public Object get（）抛出 InterruptedException，ExecutionException：
用于获取任务的结果。
如果任务完成，它将立即返回结果，否则将等待任务完成，然后返回结果。
• public boolean isDone（）：如果任务完成，则返回 true，否则返回 false
可以看到 Callable 和 Future 做两件事-Callable 与 Runnable 类似，因为它封装了要在另一个线程上运行的任务，而 Future 用于存储从另一个线程获得的结果。实际上，future 也可以与 Runnable 一起使用。要创建线程，需要 Runnable。为了获得结果，需要 future。
7.3 FutureTask类
Java 库具有具体的 FutureTask 类型，该类型实现 RunnableFuture 接口,而RunnableFuture接口继承了Runnable 和 Future，并方便地将两种功能组合在一起。 可以通过为其构造函数提供 Callable 来创建FutureTask。然后，将 FutureTask 对象提供给 Thread 的构造函数以创建Thread 对象。因此，间接地使用 Callable 创建线程。
核心原理:(重点)
在主线程中需要执行比较耗时的操作时，但又不想阻塞主线程时，可以把这些作业交给 Future 对象在后台完成
• 当主线程将来需要时，就可以通过 Future 对象获得后台作业的计算结果或者执行状态
• 一般 FutureTask 多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后，再去获取结果。
• 仅在计算完成时才能检索结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get 方法
• 一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算
• get 方法而获取结果只有在计算完成时获取，否则会一直阻塞直到任务转入完成状态，然后会返回结果或者抛出异常
• get 只计算一次,因此 get 方法放到最后
原理简单介绍
1、老师上课，口渴了，去买票不合适，讲课线程继续。
单开启线程找班上班长帮我买水，把水买回来，需要时候直接get
2、4个同学， 1同学 1+2…5 ， 2同学 10+11+12…50， 3同学 60+61+62， 4同学 100+200
第2个同学计算量比较大，
FutureTask单开启线程给2同学计算，先汇总 1 3 4 ，最后等2同学计算位完成，统一汇总
3、考试，做会做的题目，最后看不会做的题目
FutureTask的构造方法有
- FutureTask(Callable<> callable) 创建一个FutureTask，一旦运行就执行给定的Callable
- FutureTask(Runnable runnable,V result)创建一个FutureTask，一旦运行就执行给定的Runnable了，并安排成功完成时get返回给定的结果
其他常用的代码：
- get()获取结果
- isDone()判断是否计算结束
所谓的FutureTask是在不影响主任务的同时，开启单线程完成某个特别的任务，之后主线程续上单线程的结果即可（该单线程汇总给主线程只需要一次即可）
如果之后主线程在开启该单线程，可以直接获得结果，因为之前已经执行过一次了
代码演示
//比较两个接口
//实现Runnable接口
class MyThread1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
}
}
//实现Callable接口
class MyThread2 implements Callable {
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" come in callable");
return 200;
}
}
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//Runnable接口创建线程
new Thread(new MyThread1(),"AA").start();
//Callable接口,报错
// new Thread(new MyThread2(),"BB").start();
//FutureTask
FutureTask<Integer> futureTask1 = new FutureTask<>(new MyThread2());
//lam表达式
FutureTask<Integer> futureTask2 = new FutureTask<>(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" come in callable");
return 1024;
});
//创建一个线程
new Thread(futureTask2,"lucy").start();
new Thread(futureTask1,"mary").start();
// while(!futureTask2.isDone()) {
// System.out.println("wait.....");
// }
//调用FutureTask的get方法
System.out.println(futureTask2.get());
System.out.println(futureTask1.get());
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" come over");
}
}
7.4 小结
• 在主线程中需要执行比较耗时的操作时，但又不想阻塞主线程时，可以把这些作业交给 Future 对象在后台完成, 当主线程将来需要时，就可以通过 Future对象获得后台作业的计算结果或者执行状态
• 一般 FutureTask 多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后，再去获取结果
• 仅在计算完成时才能检索结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get 方法。一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算。get 方法而获取结果只有在计算完成时获取，否则会一直阻塞直到任务转入完成状态，然后会返回结果或者抛出异常。
• 只计算一次
八、JUC强大的辅助类
JUC 中提供了三种常用的辅助类，通过这些辅助类可以很好的解决线程数量过多时 Lock 锁的频繁操作。这三种辅助类为：
• CountDownLatch: 减少计数
• CyclicBarrier: 循环栅栏
• Semaphore: 信号灯
下面我们分别进行详细的介绍和学习
8.1 减少计数 CountDownLatch
CountDownLatch 类可以设置一个计数器，然后通过countDown 方法来进行减 1 的操作，使用 await 方法等待计数器不大于 0，然后继续执行 await 方法之后的语句。
CountDownLatch 主要有两个方法，await()，countDown()
- 当一个或多个线程调用 await 方法时，这些线程会阻塞
- 其它线程调用 countDown 方法会将计数器减 1(调用 countDown 方法的线程不会阻塞)
- 当计数器的值变为 0 时，因 await 方法阻塞的线程会被唤醒，继续执行
场景: 6 个同学陆续离开教室后值班同学才可以关门。
//演示 CountDownLatch
public class CountDownLatchDemo {
//6个同学陆续离开教室之后，班长锁门
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//创建CountDownLatch对象，设置初始值
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
//6个同学陆续离开教室之后
for (int i = 1; i <=6; i++) {
new Thread(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 号同学离开了教室");
//计数 -1
countDownLatch.countDown();
},String.valueOf(i)).start();
}
//等待
countDownLatch.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 班长锁门走人了");
}
}
8.2 循环栅栏 CyclicBarrier
CyclicBarrier 看英文单词可以看出大概就是循环阻塞的意思，在使用中CyclicBarrier 的构造方法第一个参数是目标障碍数，每次执行 CyclicBarrier 一次障碍数会加一，如果达到了目标障碍数，才会执行 cyclicBarrier.await()之后的语句。可以将 CyclicBarrier 理解为加 1 操作
CyclicBarrier(int parties，Runnable barrierAction)创建一个新的CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动barrier时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入barrier的线程操作
await()在所有的参与者都已经在此barrier上调用await方法之前一直等待
场景: 集齐 7 颗龙珠就可以召唤神龙
//集齐7颗龙珠就可以召唤神龙
public class CyclicBarrierDemo {
//创建固定值
private static final int NUMBER = 7;
public static void main(String[] args) {
//创建CyclicBarrier
CyclicBarrier cyclicBarrier =
new CyclicBarrier(NUMBER,()->{
System.out.println("*****集齐7颗龙珠就可以召唤神龙");
});
//集齐七颗龙珠过程
for (int i = 1; i <=7; i++) {
new Thread(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 星龙被收集到了");
//等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
8.3 信号灯 Semaphore
Semaphore 的构造方法中传入的第一个参数是最大信号量（可以看成最大线程池），每个信号量初始化为一个最多只能分发一个许可证。使用 acquire 方法获得许可证，release 方法释放许可
一般acquire(）都会抛出异常，release在finally中执行
场景: 抢车位, 6 部汽车 3 个停车位
//6辆汽车，停3个车位
public class SemaphoreDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建Semaphore，设置许可数量
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
//模拟6辆汽车
for (int i = 1; i <=6; i++) {
new Thread(()->{
try {
//抢占
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 抢到了车位");
//设置随机停车时间
TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5));
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ------离开了车位");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放
semaphore.release();
}
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
九、ReentrantReadWriteLock读写锁
概述
回顾悲观锁和乐观锁的概念
悲观锁：单独每个人完成事情的时候，执行上锁解锁。解决并发中的问题，不支持并发操作，只能一个一个操作，效率低
乐观锁：每执行完一件事情，都会比较数据版本号，版本号相同才能进行最终的操作，否则操作无效，谁先提交，谁先修改版本号
表锁和行锁：
表锁：整个表操作，不会发生死锁
行锁：每个表中的单独一行进行加锁，会发生死锁
读写锁
读锁：共享锁（可以有多个人读），会发生死锁
写锁：独占锁（只能有一个人写），会发生死锁
读写锁：一个资源可以被多个读线程访问，也可以被一个写线程访问，但不能同时存在读写线程，读写互斥，读读共享
现实中有这样一种场景：对共享资源有读和写的操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，多个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程同时读取共享资源；但是如果一个线程想去写这些共享资源，就不应该允许其他线程对该资源进行读和写的操作了。针对这种场景，JAVA 的并发包提供了读写锁ReentrantReadWriteLock，它表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁
-
线程进入读锁的前提条件：
• 没有其他线程的写锁
• 没有写请求, 或者有写请求，但调用线程和持有锁的线程是同一个(可重入锁)。 -
线程进入写锁的前提条件：
• 没有其他线程的读锁
• 没有其他线程的写锁
而读写锁有以下三个重要的特性：
（1）公平选择性：支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平。
（2）重进入：读锁和写锁都支持线程重进入。
（3）锁降级：遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。
读写锁案例:演示缓存操作
//资源类
class MyCache {
//创建map集合
private volatile Map<String,Object> map = new HashMap<>();
//创建读写锁对象
private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
//放数据
public void put(String key,Object value) {
//添加写锁
rwLock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在写操作"+key);
//暂停一会
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
//放数据
map.put(key,value);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 写完了"+key);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放写锁
rwLock.writeLock().unlock();
}
}
//取数据
public Object get(String key) {
//添加读锁
rwLock.readLock().lock();
Object result = null;
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在读取操作"+key);
//暂停一会
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
result = map.get(key);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 取完了"+key);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//释放读锁
rwLock.readLock().unlock();
}
return result;
}
}
public class ReadWriteLockDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyCache myCache = new MyCache();
//创建线程放数据
for (int i = 1; i <=5; i++) {
final int num = i;
new Thread(()->{
myCache.put(num+"",num+"");
},String.valueOf(i)).start();
}
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
//创建线程取数据
for (int i = 1; i <=5; i++) {
final int num = i;
new Thread(()->{
myCache.get(num+"");
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
锁演变过程
锁降级演示
//演示读写锁降级
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
//可重入读写锁对象
ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = rwLock.readLock();//读锁
ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = rwLock.writeLock();//写锁
//锁降级
//2 获取读锁
readLock.lock();
System.out.println("---read");
//1 获取写锁
writeLock.lock();
System.out.println("atguigu");
//3 释放写锁
//writeLock.unlock();
//4 释放读锁
//readLock.unlock();
}
}
小结
• 在线程持有读锁的情况下，该线程不能取得写锁(因为获取写锁的时候，如果发现当前的读锁被占用，就马上获取失败，不管读锁是不是被当前线程持有)。
• 在线程持有写锁的情况下，该线程可以继续获取读锁（获取读锁时如果发现写锁被占用，只有写锁没有被当前线程占用的情况才会获取失败）。
原因: 当线程获取读锁的时候，可能有其他线程同时也在持有读锁，因此不能把获取读锁的线程“升级”为写锁；而对于获得写锁的线程，它一定独占了读写锁，因此可以继续让它获取读锁，当它同时获取了写锁和读锁后，还可以先释放写锁继续持有读锁，这样一个写锁就“降级”为了读锁。
十、BlockingQueue阻塞队列
10.1 BlockingQueue 简介
Concurrent 包中，BlockingQueue 很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了 BlockingQueue 家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。
阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列, 通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；
当队列是空的，从队列中获取元素的操作将会被阻塞
当队列是满的，从队列中添加元素的操作将会被阻塞
试图从空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插入新的元素
试图向已满的队列中添加新元素的线程将会被阻塞，直到其他线程从队列中移除一个或多
个元素或者完全清空，使队列变得空闲起来并后续新增
常用的队列主要有以下两种：
• 先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性
• 后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件(栈)
在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤起
为什么需要 BlockingQueue
-
好处是我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切
BlockingQueue 都给你一手包办了 -
在 concurrent 包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细
节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。
多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。
• 当队列中没有数据的情况下，消费者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到有数据放入队列
• 当队列中填满数据的情况下，生产者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到队列中有空的位置，线程被自动唤醒
10.2 种类
1. ArrayBlockingQueue(常用)
基于数组的阻塞队列，维护了一个定长数组，还保存着两个整形变量，分别标识着队列的
头部和尾部在数组中的位置
由数组结构组成的有界阻塞队列
ArrayBlockingQueue 在生产者放入数据和消费者获取数据，都是共用同一个锁对象，无法并行。
而在创建 ArrayBlockingQueue 时，我们还可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。
在插入或删除元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例。LinkedBlockingQueue会生成一个额外的Node 对象
2. LinkedBlockingQueue(常用)
基于链表的阻塞队列，维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成）
由链表结构组成的有界（但大小默认值为integer.MAX_VALUE）阻塞队列
之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能
ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 是两个最普通也是最常用的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个类足以。
3. DelayQueue
使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列
DelayQueue 中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue 是一个没有大小限制的队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞
4. PriorityBlockingQueue
基于优先级的阻塞队列
支持优先级排序的无界阻塞队列
不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者
因此使用的时候要特别注意，生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。
内部控制线程同步的锁采用的是公平锁
5. SynchronousQueue
一种无缓冲的等待队列
相对于有缓冲的 BlockingQueue 来说，少了一个中间经销商的环节（缓冲区）
不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列
声明一个 SynchronousQueue 有两种不同的方式，它们之间有着不太一样的行为。
公平模式和非公平模式的区别:
• 公平模式：SynchronousQueue 会采用公平锁，并配合一个 FIFO 队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略；
• 非公平模式（SynchronousQueue 默认）：SynchronousQueue 采用非公平锁，同时配合一个LIFO 队列来管理多余的生产者和消费者。而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理
6. LinkedTransferQueue
由链表结构组成的无界阻塞 TransferQueue 队列，多了 tryTransfer 和transfer 方法。
由链表组成的无界阻塞队列
预占模式。意思就是消费者线程取元素时，如果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，生成一个节点（节点元素为 null）入队，消费者线程被等待在这个节点上，生产者线程入队时发现有一个元素为 null 的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素，从调用的方法返回
7. LinkedBlockingDeque
由链表结构组成的双向阻塞队列，可以从队列的两端插入和移除元素。
阻塞有两种情况
插入元素时: 如果当前队列已满将会进入阻塞状态，一直等到队列有空的位置时再该元素插入，该操作可以通过设置超时参数，超时后返回 false 表示操作失败，也可以不设置超时参数一直阻塞，中断后抛出 InterruptedException异常
读取元素时: 如果当前队列为空会阻塞住直到队列不为空然后返回元素，同样可以通过设置超时参数
10.3 BlockingQueue 核心方法
-
drainTo(): 一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。
-
peek()和element()都将在不移除的情况下返回队头，但是peek()方法在队列为空时返回null，调用element()方法会抛出NoSuchElementException异常。
10.4 入门案例
//阻塞队列
public class BlockingQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//创建阻塞队列
BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
//第一组
// System.out.println(blockingQueue.add("a"));
System.out.println(blockingQueue.add("b"));
System.out.println(blockingQueue.add("c"));
//System.out.println(blockingQueue.element());
//System.out.println(blockingQueue.add("w"));
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
System.out.println(blockingQueue.remove());
//第二组
// System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
// System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
// System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
// System.out.println(blockingQueue.offer("www"));
//
// System.out.println(blockingQueue.poll());
// System.out.println(blockingQueue.poll());
// System.out.println(blockingQueue.poll());
// System.out.println(blockingQueue.poll());
//第三组
// blockingQueue.put("a");
// blockingQueue.put("b");
// blockingQueue.put("c");
// //blockingQueue.put("w");
//
// System.out.println(blockingQueue.take());
// System.out.println(blockingQueue.take());
// System.out.println(blockingQueue.take());
// System.out.println(blockingQueue.take());
//第四组
System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
System.out.println(blockingQueue.offer("w",3L, TimeUnit.SECONDS));
}
}
10.5 小结
- 在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤起
- 为什么需要 BlockingQueue? 在 concurrent 包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。使用后我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切 BlockingQueue 都给你一手包办了
十一、ThreadPool线程池
11.1 线程池简介
线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。
例子： 10 年前单核 CPU 电脑，假的多线程，像马戏团小丑玩多个球，CPU 需要来回切换。 现在是多核电脑，多个线程各自跑在独立的 CPU 上，不用切换效率高。
线程池的优势： 线程池做的工作只要是控制运行的线程数量，处理过程中将任务放入队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大数量，超出数量的线程排队等候，等其他线程执行完毕，再从队列中取出任务来执行。
它的主要特点为：
• 降低资源消耗: 通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的销耗。
• 提高响应速度: 当任务到达时，任务可以不需要等待线程创建就能立即执行。
• 提高线程的可管理性: 线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会销耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。
Java 中的线程池是通过 Executor 框架实现的，该框架中用到了 Executor，Executors，ExecutorService，ThreadPoolExecutor 这几个类
11.2 线程池的种类与创建
-
Executors.newFixedThreadPool(int)一池N线程 -
Executors.newSingleThreadExecutor()一池一线程 -
Executors.newCachedThreadPool()一池可扩容根据需求创建线程
11.2.1 newFixedThreadPool 一池N线程
作用：创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。在任意点，在大多数线程会处于处理任务的活动状态。如果在所有线程处于活动状态时提交附加任务，则在有可用线程之前，附加任务将在队列中等待。如果在关闭前的执行期间由于失败而导致任何线程终止，那么一个新线程将代替它执行后续的任务（如果需要）。在某个线程被显式地关闭之前，池中的线程将一直存在。
特征：
• 线程池中的线程处于一定的量，可以很好的控制线程的并发量
• 线程可以重复被使用，在显示关闭之前，都将一直存在
• 超出一定量的线程被提交时候需在队列中等待
场景: 适用于可以预测线程数量的业务中，或者服务器负载较重，对线程数有严格限制的场景
11.2.2 newSingleThreadExecutor() 一池一线程
作用：创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程。（注意，如果因为在关闭前的执行期间出现失败而终止了此单个线程，那么如果需要，一个新线程将代替它执行后续的任务）。可保证顺序地执行各个任务，并且在任意给定的时间不会有多个线程是活动的。与其他等效的newFixedThreadPool 不同，可保证无需重新配置此方法所返回的执行程序即可使用其他的线程。
特征： 线程池中最多执行 1 个线程，之后提交的线程活动将会排在队列中以此执行
场景: 适用于需要保证顺序执行各个任务，并且在任意时间点，不会同时有多个线程的场景
11.2.3 newCachedThreadPool() 一池可扩容根据需求创建线程
作用：创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程.
特点:
• 线程池中数量没有固定，可达到最大值（Interger. MAX_VALUE）
• 线程池中的线程可进行缓存重复利用和回收（回收默认时间为 1 分钟）
• 当线程池中，没有可用线程，会重新创建一个线程
场景: 适用于创建一个可无限扩大的线程池，服务器负载压力较轻，执行时间较短，任务多的场景
代码示例
//演示线程池三种常用分类public class ThreadPoolDemo1 { public static void main(String[] args) { //一池五线程 ExecutorService threadPool1 = Executors.newFixedThreadPool(5); //5个窗口 //一池一线程 ExecutorService threadPool2 = Executors.newSingleThreadExecutor(); //一个窗口 //一池可扩容线程 ExecutorService threadPool3 = Executors.newCachedThreadPool(); //10个顾客请求 try { for (int i = 1; i <=10; i++) { //执行 threadPool3.execute(()->{ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 办理业务"); }); } }catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }finally { //关闭 threadPool3.shutdown(); } }}
11.3 底层原理
源码查看
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
11.3.1 常用参数
• corePoolSize 线程池的核心线程数
• maximumPoolSize 能容纳的最大线程数
• keepAliveTime 空闲线程存活时间
• unit 存活的时间单位
• workQueue 存放提交但未执行任务的队列
• threadFactory 创建线程的工厂类
• handler 等待队列满后的拒绝策略
- 在创建了线程池后，线程池中的线程数为零
- 当调用 execute()方法添加一个请求任务时，线程池会做出如下判断： 2.1 如
果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
2.2 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入
队列； 2.3 如果这个时候队列满了且正在运行的线程数量还小于
maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务； 2.4 如
果队列满了且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程
池会启动饱和拒绝策略来执行。 - 当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行
- 当一个线程无事可做超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程会判断：
4.1 如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。 4.2
所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。
线程池中，有三个重要的参数，决定影响了拒绝策略：corePoolSize - 核心线程数，也即最小的线程数。workQueue - 阻塞队列 。 maximumPoolSize -最大线程数
当提交任务数大于 corePoolSize 的时候，会优先将任务放到 workQueue 阻塞队列中。当阻塞队饱和后，会扩充线程池中线程数，直到达到maximumPoolSize 最大线程数配置。此时，再多余的任务，则会触发线程池的拒绝策略了。
总结起来，也就是一句话，当提交的任务数大于（workQueue.size() + maximumPoolSize ），就会触发线程池的拒绝策略。
11.3.2 拒绝策略
AbortPolicy（默认）: 丢弃任务，并抛出拒绝执行 RejectedExecutionException 异常信息。线程池默认的拒绝策略。必须处理好抛出的异常，否则会打断当前的执行流程，影响后续的任务执行。
CallerRunsPolicy: 当触发拒绝策略，只要线程池没有关闭的话，则使用调用线程直接运行任务。一般并发比较小，性能要求不高，不允许失败。但是，由于调用者自己运行任务，如果任务提交速度过快，可能导致程序阻塞，性能效率上必然的损失较大
DiscardOldestPolicy: 当触发拒绝策略，只要线程池没有关闭的话，丢弃阻塞队列 workQueue 中最老的一个任务，并将新任务加入
DiscardPolicy: 直接丢弃，其他啥都没有
11.4 自定义线程池
项目中创建多线程时，使用常见的三种线程池创建方式，单一、可变、定长都有一定问题，原因是 FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor 底层都是用LinkedBlockingQueue 实现的，这个队列最大长度为 Integer.MAX_VALUE，容易导致 OOM。所以实际生产一般自己通过ThreadPoolExecutor 的 7 个参数，自定义线程池
实际在开发中不允许使用Executors创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，规避资源耗尽风险
自定义线程池代码示例
//自定义线程池创建
public class ThreadPoolDemo2 {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(
2,
5,
2L,
TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<>(3),
Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
);
//10个顾客请求
try {
for (int i = 1; i <=10; i++) {
//执行
threadPool.execute(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 办理业务");
});
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
//关闭
threadPool.shutdown();
}
}
}
十二、Fork/Join分支合并框架
12.1 Fork/Join框架简介
Fork/Join 它可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理，最后将子任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。Fork/Join 框架要完成两件事情：
Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小
Join：把分拆任务的结果进行合并
任务分割：首先 Fork/Join 框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割
执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果都放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。在 Java 的 Fork/Join 框架中，使用两个类完成上述操作
• ForkJoinTask:我们要使用 Fork/Join 框架，首先需要创建一个 ForkJoin 任务。该类提供了在任务中执行 fork 和 join 的机制。通常情况下我们不需要直接集成 ForkJoinTask 类，只需要继承它的子类，Fork/Join 框架提供了两个子类：
a.RecursiveAction：用于没有返回结果的任务
b.RecursiveTask:用于有返回结果的任务
• ForkJoinPool:ForkJoinTask 需要通过 ForkJoinPool 来执行
• RecursiveTask: 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务
Fork/Join 框架的实现原理
ForkJoinPool 由 ForkJoinTask 数组和 ForkJoinWorkerThread 数组组成，
ForkJoinTask 数组负责存放以及将程序提交给 ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread 负责执行这些任务。
12.2 Fork 方法
Fork 方法的实现原理： 当我们调用 ForkJoinTask 的 fork 方法时，程序会把任务放在 ForkJoinWorkerThread 的 pushTask 的 workQueue 中，异步地执行这个任务，然后立即返回结果
public final ForkJoinTask<V> fork() {
Thread t;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
else
ForkJoinPool.common.externalPush(this);
return this;
}
pushTask 方法把当前任务存放在 ForkJoinTask 数组队列里。然后再调用ForkJoinPool 的signalWork()方法唤醒或创建一个工作线程来执行任务。代码如下：
final void push(ForkJoinTask<?> task) {
ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
int b = base, s = top, n;
if ((a = array) != null) { // ignore if queue removed
int m = a.length - 1; // fenced write for task visibility
U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
if ((n = s - b) <= 1) {
if ((p = pool) != null)
p.signalWork(p.workQueues, this);//执行
}
else if (n >= m)
growArray();
}
}
12.3 join 方法
Join 方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看ForkJoinTask 的 join 方法的实现，代码如下：
public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();
}
它首先调用 doJoin 方法，通过 doJoin()方法得到当前任务的状态来判断返回什么结果，任务状态有 4 种：
已完成（NORMAL）、被取消（CANCELLED）、信号（SIGNAL）和出现异（EXCEPTIONAL)
• 如果任务状态是已完成，则直接返回任务结果。
• 如果任务状态是被取消，则直接抛出 CancellationException
• 如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常
让我们分析一下 doJoin 方法的实现
private int doJoin() {
int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue
w;
return (s = status) < 0 ? s :
((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
(w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
externalAwaitDone();
}
final int doExec() {
int s; boolean completed;
if ((s = status) >= 0) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
s = setCompletion(NORMAL);
}
return s;
}
在 doJoin()方法流程如下:
- 首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完成，如果执行完成，则直接返回任务状态；
- 如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。
- 如果任务顺利执行完成，则设置任务状态为 NORMAL，如果出现异常，则记录异常，并将任务状态设置为 EXCEPTIONAL。
12.4 Fork/Join 框架的异常处理
ForkJoinTask 在执行的时候可能会抛出异常，但是我们没办法在主线程里直接捕获异常，所以ForkJoinTask 提供了 isCompletedAbnormally()方法来检查任务是否已经抛出异常或已经被取消了，并且可以通过 ForkJoinTask 的getException 方法获取异常。
getException 方法返回 Throwable 对象，如果任务被取消了则返回CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回 null。
场景: 生成一个计算任务，1加到100，相加两个数值不能大于10
class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {
//拆分差值不能超过10，计算10以内运算
private static final Integer VALUE = 10;
private int begin ;//拆分开始值
private int end;//拆分结束值
private int result ; //返回结果
//创建有参数构造
public MyTask(int begin,int end) {
this.begin = begin;
this.end = end;
}
//拆分和合并过程
@Override
protected Integer compute() {
//判断相加两个数值是否大于10
if((end-begin)<=VALUE) {
//相加操作
for (int i = begin; i <=end; i++) {
result = result+i;
}
} else {//进一步拆分
//获取中间值
int middle = (begin+end)/2;
//拆分左边
MyTask task01 = new MyTask(begin,middle);
//拆分右边
MyTask task02 = new MyTask(middle+1,end);
//调用方法拆分
task01.fork();
task02.fork();
//合并结果
result = task01.join()+task02.join();
}
return result;
}
}
public class ForkJoinDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//创建MyTask对象
MyTask myTask = new MyTask(0,100);
//创建分支合并池对象
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
//获取最终合并之后结果
Integer result = forkJoinTask.get();
System.out.println(result);
//关闭池对象
forkJoinPool.shutdown();
}
}
十三、CompletableFuture异步回调
异步和同步针对调用者，调用者发送请求，如果等着对方回应之后才去做其他事情就是同步，如果发送请求之后不等着对方回应就去做其他事情就是异步
阻塞和非阻塞针对被调用者，被调用者受到请求之后，做完请求任务之后才给出反馈就是阻塞，受到请求之后马上给出反馈然后再去做事情就是非阻塞
CompletableFuture 在 Java 里面被用于异步编程，异步通常意味着非阻塞，可以使得我们的任务单独运行在与主线程分离的其他线程中，并且通过回调可以在主线程中得到异步任务的执行状态，是否完成，和是否异常等信息。
CompletableFuture 实现了 Future, CompletionStage 接口，实现了 Future接口就可以兼容现在有线程池框架，而 CompletionStage 接口才是异步编程的接口抽象，里面定义多种异步方法，通过这两者集合，从而打造出了强大的CompletableFuture 类。
13.1 Future 与 CompletableFuture
Futrue 在 Java 里面，通常用来表示一个异步任务的引用，比如我们将任务提交到线程池里面，然后我们会得到一个 Futrue，在 Future 里面有 isDone 方法来判断任务是否处理结束，还有 get 方法可以一直阻塞直到任务结束然后获取结果，但整体来说这种方式，还是同步的，因为需要客户端不断阻塞等待或者不断轮询才能知道任务是否完成。
Future 的主要缺点如下：
（1）不支持手动完成
我提交了一个任务，但是执行太慢了，我通过其他路径已经获取到了任务结果，现在没法把这个任务结果通知到正在执行的线程，所以必须主动取消或者一直等待它执行完成
（2）不支持进一步的非阻塞调用
通过 Future 的 get 方法会一直阻塞到任务完成，但是想在获取任务之后执行额外的任务，因为 Future 不支持回调函数，所以无法实现这个功能
（3）不支持链式调用
对于 Future 的执行结果，我们想继续传到下一个 Future 处理使用，从而形成一个链式的 pipline 调用，这在 Future 中是没法实现的。
（4）不支持多个 Future 合并
比如我们有 10 个 Future 并行执行，我们想在所有的 Future 运行完毕之后，执行某些函数，是没法通过 Future 实现的。
（5）不支持异常处理
Future 的 API 没有任何的异常处理的 api，所以在异步运行时，如果出了问题是不好定位的。
//异步调用和同步调用
public class CompletableFutureDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//同步调用
CompletableFuture<Void> completableFuture1 = CompletableFuture.runAsync(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : CompletableFuture1");
});
completableFuture1.get();
//mq消息队列
//异步调用
CompletableFuture<Integer> completableFuture2 = CompletableFuture.supplyAsync(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : CompletableFuture2");
//模拟异常
int i = 10/0;
return 1024;
});
completableFuture2.whenComplete((t,u)->{
System.out.println("------t="+t); //返回结果
System.out.println("------u="+u); //异常
}).get();
}
}
参考视频:【尚硅谷】大厂必备技术之JUC并发编程