Java多线程进阶(JUC)
1.什么是JUC
JUC实际上是Java包的缩写：java.util.concurrent包
2.回顾线程和进程
1.进程：一个程序，例如QQ.exe，进程是程序的集合，进程是CPU调度的基本单位。一个进程可以有多个线程，至少包含一个。Java默认有两个线程，一个是main线程，另外一个是GC线程。
2.线程：线程是依附于进程的，进程可以启动线程，一个进程可以有多个线程；比如QQ同时跟多人聊天；迅雷同时下载多个不同的文件，每个下载都是一个线程；如果主线程结束了，但是还有其他线程，那么进程也不会结束；
3.线程创建方式：继承Thread、实现Runnable、实现Callable; Runnable 没有返回值 效率相比Callable较低
4.并发：并发是指一个cpu在一个时间片里面轮换的执行进程，假的同时，实际上是一个执行一会儿。
5.并行：并行是多核cpu在同时间执行不同的任务，真正的同时。
6.wait和sleep的区别：
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wait是Java中Object类中的方法，sleep是Thread类中的方法。
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wait是会释放锁的，而sleep是不会释放锁的，sleep就像是一个人抱着锁睡觉，但是wait则是把锁放在旁边进行等待。
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wait只能在同步代码块中使用，sleep可以在任何地方使用。
3.管程的概念
管程实际上就是一个监视器（Monitor），就是我们所说的锁，换句话说：锁就是监视器。监视器本身是一种同步的机制，保证同一时间只有一个线程访问特定的数据。
jvm同步基于进入和退出的，使用管程对象实现的，每个对象都会有一个Monitor对象，Monitor会随着java对象的创建而创建。
4.用户线程和守护线程的概念
用户线程：平时所用到的线程，基本上都是用户线程。
守护线程：后台所用到的线程，比如垃圾回收机制（GC），当用户线程销毁，守护线程也会销毁。可以这样理解：人（用户线程）在塔在，人不在了，塔（守护线程）也就没了。
5.Lock接口
首先介绍一下多线程编程的一般步骤：
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创建资源类，在资源类中创建属性和操作方法
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在资源类操作方法
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判断
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干活
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通知
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创建多个线程，调用资源类的操作方法
Lock简介（来自官方文档）：
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Lock实现提供了比使用 synchronized方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。此实现允许更灵活的结构，可以具有差别很大的属性，可以支持多个相关的 Condition 对象。这里的condition是用来线程通讯的，相当于wait（）和notify（）。
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Lock的基本使用方法（来自官方文档）：
只需要在资源类里面，增加一个lock的成员变量，然后调用对应的上锁和解锁方法就能实现。
注意：上锁之后，业务代码建议放在try｛｝finally｛｝中，要保证不管业务实现与否，都要释放锁，不然会造成死锁
Lock l = ...; //创建一个lock锁 l.lock();//加锁 try { // access the resource protected by this lock } finally { l.unlock();//解锁 } -
Lock的三个实现类：
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ReentrantLock：一个可重入的互斥锁，它具有与使用synchronized方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。
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ReentrantReadWriteLock.WriteLock：可重用写锁
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ReentrantReadWriteLock.ReadLock：可重用读锁
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可重入锁：
可以重复使用的锁。例如上厕所，一个人进入测试然后上锁，出来后解锁，另外一个人又进去上锁，然后出来解锁。。。这就叫可重入锁。
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买票小案例：
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * 这是静态资源类 */ class Ticket{ //票的数量 private int number = 30; //声明一个可重用锁 private final Lock lock = new ReentrantLock(); public void sale(){ lock.lock();//上锁,保证只有一个线程能操作 try { if (number>0) number--; System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出了一张票，剩余"+number); } finally { lock.unlock();//在finally里面解锁,让其他线程能争抢锁 } } } public class SaleTicket { public static void main(String[] args) { Ticket ticket = new Ticket();//创建一个资源类的对象 new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) ticket.sale();},"AA").start(); new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) ticket.sale();},"BB").start(); new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) ticket.sale();},"CC").start(); } }运行结果:
6.线程通讯
问题：消费者和生产者问题，生产一个，则消费一个。对一个资源变量（初始为0）进行加一和减一的操作。一个线程加一，另一个线程减一。
如果不使用线程之间的通讯，则无法实现上诉功能，基本思路是：A线程加一之后，通知B线程来减一。B线程减一之后，通知A线程来加一。
两种实现方法：
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使用synchronized锁配合Object类中的wait()和notify()实现
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使用lock锁配合condition对象的await()和condition.signal()实现
condition对象的获取：
Lock lock = new ReentrantLock(); Condition condition = lock.newCondition();
这里使用第二种方式
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class MyData{
private int num = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
public void add() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
if (num != 0) {
condition.await();
}
num++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"减少了--"+num);
condition.signalAll();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public void sub() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
if (num == 0) {
condition.await();
}
num--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"减少了--"+num);
condition.signalAll();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class PC {
public static void main(String[] args) {
MyData myData = new MyData();
//用于增加的线程
new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
myData.add();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"AA").start();
//用于减少的线程
new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
myData.sub();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"BB").start();
}
}运行结果:
可以看到，是0101交替执行的
问题：这里只有两个线程，所以没事，但是如果是同时有4个线程来操作，两个线程加，两个线程减。这种情况则会出现一个问题——虚假唤醒的问题。
四个线程运行结果：
可以看到4个线程运行结果，并不是0101交替执行
虚假唤醒问题：
产生原因：上诉例子中，假设A线程和C线程都是增加的线程，其中一个线程进入if判断之后，然后休眠了。
下次被唤醒的时候，则不会再进行if判断了，因为wait的机制是，在哪里休眠，就在哪里唤醒。所以下次唤醒的时候，不管num是否为0，都会继续执行后面的代码。
解决方案：通过Java官方文档的内容，要避免产生虚假唤醒问题，则需要将if判断换成while判断。下面代码来自官方文档：
//等待应总是发生在循环中，如下面的示例：
synchronized (obj) {
while ()
obj.wait(timeout);
... // Perform action appropriate to condition
} 7.线程间的定制化通讯
问题：A线程唤醒B线程，B线程唤醒C线程，C线程唤醒A线程。
这种通讯并不是和以前一样，唤醒所有的线程或者是唤醒其中一个线程，而是唤醒指定的线程。
实现思路：
package com.wang.lock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
//创建资源类
class ShareData{
//定义标志位
private int flag = 1;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
//创建三个Condition
private final Condition c1 = lock.newCondition();
private final Condition c2 = lock.newCondition();
private final Condition c3 = lock.newCondition();
public void doItA() throws InterruptedException {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (flag!=1){
c1.await();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--");
//通知
flag = 2;
c2.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public void doItB() throws InterruptedException {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (flag!=2){
c2.await();
}
System.out.println(" "+Thread.currentThread().getName()+"--");
//通知
flag = 3;
c3.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public void doItC() throws InterruptedException {
//上锁
lock.lock();
try {
//判断
while (flag!=3){
c3.await();
}
System.out.println(" "+" "+Thread.currentThread().getName()+"--");
//通知
flag = 1;
c1.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class ThreadDemo3 {
public static void main(String[] args) {
ShareData shareData = new ShareData();
new Thread(()->{
try {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
shareData.doItA();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"A").start();
new Thread(()->{
try {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
shareData.doItB();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"B").start();
new Thread(()->{
try {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
shareData.doItC();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"C").start();
}
}运行结果
可以看到ABC三个线程是交替执行的
ArrayList、HashSet、HashMap的线程不安全问题
我们都知道ArrayList是线程不安全的，当我们用多个线程去操作ArrayList的时候，就会产生并发安全异常。
解决方案：
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使用Vector
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实际开发中并不建议使用，这个方法是java1.0时候的，其原理就是给其中的方法加上synchronized关键字。属于无脑解决线程安全问题。
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实际效率不高
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使用Collections工具类
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使用其synchronizedList（）方法返回一个线程安全的List
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Listlist = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); -
也不推荐使用
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使用CopyOnWriteArrayList解决
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这个类是JUC里面的类
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原理是：写时复制技术，读的时候并发读，写的时候独立写。
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首先读的时候是很多个线程一起读
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但是写的时候，先复制一份跟之前的内容相等的集合，然后在新的集合开始写，写完之后再跟以前的进行合并
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再读的时候，就是读的新的集合
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好处是：既进行了并发读，又可以进行独立写，没有并发安全
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//Java源码是这样的： public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock();//上锁 try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //复制一份新的数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //向新的数组里面添加数据 newElements[len] = e; //将新的数组变成被读的哪一个 setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
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同理：当我们用多个线程去操作HashSet的时候，就会产生并发安全异常。
解决方案：使用CopyOnWriteArraySet解决。
同理：当我们用多个线程去操作HashMap的时候，就会产生并发安全异常。
解决方案：使用ConcurrentHashMap解决。
多线程锁
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公平锁和非公平锁
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非公平锁：会造成线程被“饿死”的情况，可能出现就是一个线程把活都干了，其他线程没有做事情的情况。大致可以这样理解，非公平锁在线程释放锁之后，又继续参与抢锁，然后又抢到了锁。
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公平锁就是线程都会拿到“活”干
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两个锁的优缺点：
公平锁：阳光普照，各个线程都能分配到任务，效率相对较低。因为在执行任务的时候，公平锁会先判断一下是否有被占用，如果被占用则进行排队，如果没有再进去。
非公平锁：线程饿死，效率高。
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可重入锁：
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synchronized（隐式）和Lock（显示）都是可重入锁
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介绍：可重入锁就是如果进入一个锁之后，里面还有锁，则可以随便进入，实际上就是加的同一把锁，开了一次锁就不用再开了。例如我回家了，大门有个锁，开锁之后进了大门，里面的卧室门就不需要开开锁了。
public class Demo1 { public static void main(String[] args) { 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(); } }可以看到，锁里面还有锁，但是T1线程可以自由的进入
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死锁
什么是死锁:
两个或者两个以上的进程在执行过程中，因为争夺资源而造成一种互相等待现象，如果没有外力干涉，他们无法继续执行下去。
造成死锁的原因：
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系统资源不足
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进程推进顺序不合适
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资源分配不当
1 . 产生死锁的必要条件：
（1）互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
（2）请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3）不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。 （4）环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程–资源的环形链。
Callable接口实现创建线程
除了通过继承Thread类和实现Runnable接口，还有另外一种创建线程的方式。
通过Callable接口和Runnable的区别：
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Callable可以实现线程在完成时，有返回的结果方法call()。
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call()方法可以引发异常,而run方法不能
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实现Callable接口,必须重写call方法
Callable创建线程:
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实现Callable接口并且重写call方法
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借助FutureTask创建线程
class MyThread2 implements Callable { @Override public Integer call() throws Exception { return 200; } } public class Demo1 { public static void main(String[] args) { //Runnable创建线程 new Thread(new MyThread1(),"AA").start(); //Callable创建线程 //1.借助FutureTask创建线程 FutureTasktask = new FutureTask<>(new MyThread2()); //2.使用lam表达式 FutureTask task1 = new FutureTask<>(()->{ return 111; }); new Thread(task,"BB").start(); new Thread(task1,"CC").start(); System.out.println(task.get()); } }
通过FutureTask的get方法,能够拿到线程的返回值,如果没有则一直等待。
通过FutureTask的isDone方法,能够判断线程是否已经执行完毕。
JUC中的三大辅助类
减少计数类：CountDownLatch
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CountDownLatch类可以设置一个计数器，然后通过countDown方法来进行减一操作。还有一个await方法，这个方法表示一个等待，线程会阻塞，只有到计数器里面的数变为0的时候，才会继续下面的代码。
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当一个或者多个线程调用await方法时，这些线程会阻塞
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其他线程调用countDonw方法会将计数器减一
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当计数器的值变为0的时候，被await阻塞的线程就会被唤醒，继续执行
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案例：放学了，有3个同学还在办公室做作业，只有当所有同学做完作业，离开办公室之后，门卫才可以锁门，否则门卫只能一直处于等待状态。
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//创建countDownLatch类来实现计数
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
//模拟有三个同学
for (int i = 1; i <=3; i++) {
new Thread(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--出教室了");
countDownLatch.countDown();
},String.valueOf(i)).start();
}
countDownLatch.await();
//主线程模拟门卫
System.out.println("我锁门了");
}
}执行结果
作用：可以用来线程直接的通讯。
循环栅栏CyclicBarrier类
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官方文档：一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。
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CyclicBarrier可以看作是循环阻塞的意思，在使用中CyclicBarrier的构造方法可以传入一个目标障碍数，每次执行CyclicBarrier一次，障碍数会增加，如果达到了目标障碍数，才会执行CyclicBarrier中await之后的代码。可以将CyclicBarrier理解为加一的操作
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public class CyclicBarrierDemo { public static void main(String[] args) { CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7,()->{ System.out.println("阻塞达到了七次后输出这句话"); }); for (int i = 0; i < 7; i++) { new Thread(()->{ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被阻塞了..."); try { cyclicBarrier.await(); } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出阻塞了"); },String.valueOf(i)).start(); } } }执行结果：
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通过代码我们可以发现，只有其余线程，总共调用了7次await方法，上面定义在CyclicBarrier类中的代码才会执行；如果删掉cyclicBarrier.await()，则不会执行那句话。
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当数量达到7次之后，被阻塞的7个线程又会从wait后面继续执行
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信号灯Semaphore
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官方文档：一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release(）添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，
Semaphore只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。 -
有多个线程执行任务，然后都要获得Semaphore的许可证，许可证可以有多个，只有拥有许可证的线程才能够继续执行后面的业务代码，没获得许可证的就不能继续执行，只能等待别人释放许可证。
public class SemaphoreDemo { public static void main(String[] args) { //创建一个信号灯类,然后给里面初始化三张许可证 Semaphore semaphore = new Semaphore(3); //创建六个线程去争抢许可证 for (int i = 0; i < 6; i++) { new Thread(()->{ try { //抢占许可证 semaphore.acquire(); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了许可证"); //模拟三秒钟的业务时间 TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }finally { //释放许可证 semaphore.release(); } }).start(); } } }运行结果:
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只有三个线程抢到了许可证，剩余的线程则在等待，三秒后前三个释放许可证，后三个抢到许可证
JUC读写锁
首先先介绍几种锁：
悲观锁：
悲观锁就是，线程在操作某个数据的时候，首先先上锁。然后别的线程只能阻塞。顾名思义，悲观锁很悲观，他认为我在操作数据的时候，一定有人来更改数据，所以一开始就上锁了。优点：能解决并发的各种问题；缺点：效率低；
乐观锁：
乐观锁就是，线程在操作某个数据的时候，先不上锁，拿到该数据的版本号，等线程操作完之后判断版本号是否有改变，如果没有改变，则操作成功，如果失败则操作失败。操作成功更改版本好
乐观锁，就很乐观，认为我在操作数据的时候，不会有人来动我的数据，所以我第一时间并不上锁，等我操作完毕要提交的时候，再判断一下有人改过我数据了吗，如果没有改过则操作成功，反之操作失败。
表锁：
表锁就是，假设对数据库的一张表进行操作，如果线程对一张表里面的一条记录进行操作，但是把整个表都锁了，这就是表锁。表锁不会发生死锁。
行锁：
操作一条记录只对该记录对应的行上锁，就是行锁。行锁可能会发生死锁
读锁：共享锁，发生死锁。
写锁：独占锁，发生死锁
java通过ReentrantReadWriteLock来获得读写锁
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
class MyCatch{
private final Map map = new HashMap<>();
private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
public void put(String key,Integer value) {
rw.writeLock().lock();//写锁上锁
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在写操作"+key);
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
map.put(key,value);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"写完了"+key);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
rw.writeLock().unlock();//写锁解锁
}
}
public int get(String key) {
rw.readLock().lock();//读锁上锁
int integer = -1;
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在读操作"+key);
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
integer = map.get(key);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
rw.readLock().unlock();//读锁解锁
}
return integer;
}
}
public class ReadWriteLockDemo {
public static void main(String[] args) {
MyCatch myCatch = new MyCatch();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int num = i;
new Thread(()->{
myCatch.put(num+"",num);
}).start();
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int num = i;
new Thread(()->{
myCatch.get(num+"");
}).start();
}
}
} 运行结果:
可以看到，写锁是一个一个去写的，一个线程在写的时候，别人不能进入。
但是读锁是一起读的。
读写锁的深入
读写锁：一个资源可以被多个读的线程访问，或者可以被一个写的线程访问，但是不能同时存在读写操作，读写是互斥的，读读是共享的。
演变：
锁降级：
将写入锁降级为读锁
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先获取到写锁
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再获取读锁
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释放写锁
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完成锁降级
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释放读锁
阻塞队列
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概念：阻塞队列是一个队列，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另一端输出；
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当队列是空的，从队列中获取元素将被阻塞
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当队列是满的，从队列中添加元素将被阻塞
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阻塞队列的分类：
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ArrayBlockingQueue：数组结构组成的一个有界队列
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LinkedBlockingQueue：由链表组成的一个有界队列
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DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界队列
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PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
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。。。
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阻塞队列的核心方法：
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add：添加
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remove：取出
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element：判断是否存在
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offer：添加，返回true和false
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