【JavaEE初阶】多线程进阶（六）JUC 线程安全的集合类

JUC（java.util.concurrent）的常见类

Callable接口

Callable 是一个 interface . 相当于把线程封装了一个 “返回值”. 方便程序猿借助多线程的方式计算结果.

常见的创建线程的方式有两种方式, 第一种方法是直接继承Thread类, 重写run方法, 第二种方法是实现Runnable接口, 然后还是要靠Thread类的构造器, 把Runnable传进去, 最终调用的就是Runnable的run方法。; 和Runnable类似, 我们还可以通过Callable接口描述一个任务配合FutureTask类来创建线程, 和Runnable不同的是,Callable接口配合FutureTask类所创建的线程其中的任务是可以带有返回值的, 而一开始提到的那两种方式任务是不支持带返回值的.

理解Callable:
Callable 和Runnable 相对, 都是描述一个 “任务”. Callable 描述的是带有返回值的任务,
Runnable 描述的是不带返回值的任务.
Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用.FutureTask用来保存 Callable 的返回结果. 因为
Callable 往往是在另一个线程中执行的, 啥时候执行完并不确定.
FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

理解FutureTask:
可以为想象去吃麻辣烫, 当餐点好后, 后厨就开始做了, 同时前台会给你一张 “小票”, 这个小票就是FutureTask, 后面我们可以随时凭这张小票去查看自己的这份麻辣烫做出来了没.

使用Thread类的构造器创建线程的时候, 传入的引用不能是Callable类型的, 而应该是FutrueTask类型, 因为构造器中传入的任务类型需要是一个Runnable类,Callable与Runnable是没有直接关系的, 但FutrueTask类实现了Runnable类, 所以要想使用Callable创建线程, 我们就需要先把实现Callable接口的对象引用传给FutrueTask类的实例对象, 再将FutrueTask实例传入线程构造器中.

接下来，我们使用Callable实现 创建线程计算 1 + 2 + 3 + … + 1000

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class ThreadDemo29 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //使用Callable来计算1+2+3+4+...+1000
        Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int sum = 0;
                for(int i = 0;i <= 10;i++){
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }
        };
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();
        //获取执行结果
        Integer sum = futureTask.get();
        System.out.println(sum);

    }
}

• 创建一个匿名内部类，实现Callable接口.Callable带有泛型参数。泛型参数表示返回值的类型。
• 重写Callable的call方法，完成累加的过程，直接通过返回值结算结果。
• 把callable实例使用FutureTask包装一下。
• 创建线程，线程的构造方法传入FutureTask.此时新线程就会执行FutureTask内部的Callable的call方法，完成计算，计算结果就放在了FutureTask对象中。
• 在主线程中调用FutureTask.get();能够阻塞等待新线程计算完毕. 并获取到FutureTask中的结
  果.

相关面试题

介绍下 Callable 是什么

Callable 是一个 interface . 相当于把线程封装了一个 “返回值”. 方便程序猿借助多线程的方式计算
结果.
Callable 和 Runnable 相对, 都是描述一个 “任务”. Callable 描述的是带有返回值的任务,
Runnable 描述的是不带返回值的任务.
Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用.FutureTask用来保存 Callable 的返回结果. 因为
Callable 往往是在另一个线程中执行的, 啥时候执行完并不确定.
FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

ReentrantLock(可重入锁)

可重入互斥锁. 和 synchronized 定位类似, 都是用来实现互斥效果, 保证线程安全.

ReentrantLock 的用法:

• lock(): 加锁, 如果获取不到锁就死等.
• trylock(超时时间): 加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁
• unlock(): 解锁

以上述trylock为例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ThreadDemo30 {
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        boolean result = reentrantLock.tryLock();
        try{
            if(result){

            }else{

            }
        }finally {
            if (result){
                reentrantLock.unlock();
            }
        }
    }
}

ReentrantLock 和 synchronized 的区别:

• synchronized 是一个关键字, 是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现). ReentrantLock 是标准
  库的一个类, 在 JVM 外实现的(基于 Java 实现).
• synchronized 使用时不需要手动释放锁. ReentrantLock 使用时需要手动释放. 使用起来更灵活,
  但是也容易遗漏 unlock.
• synchronized 在申请锁失败时, 会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就
  放弃.
• synchronized 是非公平锁, ReentrantLock 默认是非公平锁. 可以通过构造方法传入一个true开启
  公平锁模式.

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);

• 更强大的唤醒机制. synchronized 是通过 Object 的 wait / notify 实现等待-唤醒. 每次唤醒的是一
  个随机等待的线程. ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒, 可以更精确控制唤醒某个指
  定的线程.

结论：虽然ReentrantLock有一定的又是，但是在实际开发中，大部分情况下还是使用Synchronized

如何选择使用哪个锁?

• 锁竞争不激烈的时候, 使用 synchronized, 效率更高, 自动释放更方便
• 锁竞争激烈的时候, 使用 ReentrantLock, 搭配trylock更灵活控制加锁的行为, 而不是死等.
• 如果需要使用公平锁, 使用 ReentrantLock

原子类

原子类内部用的是CAS实现，所以性能要比加锁实现 i++ 高很多。原子类有以下几个

• AtomicBoolean
• AtomicInteger
• AtomicIntegerArray
• AtomicLong
• AtomicReference
• AtomicStampedReference

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ThreadDemo31 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

        //使用原子类来解决线程安全问题
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count.getAndIncrement();// count++
                // count.incrementAndGet(); // ++count
                // count.getAndDecrement(); // count--
                // count.decrementAndGet(); // --count
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(count.get());
    }
}

信号量Semaphore

信号量, 用来表示 “可用资源的个数”. 本质上就是一个计数器.

举个： 停车场的车位，是有固定上限的。
很多停车场会在入口显示一个牌子，牌子上面写：当前空闲车位有xx个（这个牌子，就相当于Semaphore）。
每次有车，从入口进去，计数器就-1
每次有车，从出口出来，计数器就+1
如果当前停车场里面的车满了，计数器就是0.
此时，如果还有车想停，有两种方式：
（1）等待其他车出去
（2）放弃这里，去别的停车场

P操作：申请一个可用资源，计数器就-1
V操作：释放一个可用资源，计数器就+1
P操作要是计数器为0了，继续P操作，就会出现阻塞等待。

考虑一个计数初始值为1的信号量
针对这个信号量，就只有1和0两种取值。（信号量不能是负的）
执行一次P（acquire）操作，1->0
执行一次V（release）操作，0->1
如果已经进行一次P操作了，继续进行P操作，就会阻塞等待。

锁是信号量的一种特殊情况，信号量是锁的一般表达。锁可以看为计数器是1的信号量（二元信号量）

CountDownLatch

假设有一场跑步比赛：

这场比赛，开始时间使明确的（裁判的发令枪）
结束时间，则是不确定的、（所有选手都冲过终点比赛才算结束）
为了等待这个跑步比赛结束，就引入了这个CountDownLatch

主要是两个方法：

1. await(wait->等待 ，a->all)主线程来调用这个方法
2. countDown表示选手冲过了重点线
   countDown在构造的时候，指定一个计数（选手的个数）

CountDownLatch类常用方法:

• 构造方法

public CountDownLatch(int count)	构造实例对象, count表示CountDownLatch对象中计数器的值

• 普通方法

public void await() throws InterruptedException	使所处的线程进入阻塞等待, 直到计数器的值清零
public void countDown()	将计数器的值减1
public long getCount()	获取计数器最初的值

上述例子中，有五个选手进行比赛，初始情况下每个选手都会冲过终点，都会调用countDown方法。
前四次调用countDown，await没有任何影响
第五次调用countDown，await被唤醒。（解除阻塞），此时就可以认为是整个比赛都结束了。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class ThreadDemo32 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread t = new Thread(()->{
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"跑到了终点");
                    latch.countDown();//调用countDown的次数和个数一致
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println();
            });
            t.start();
        }

        latch.await();
        System.out.println("比赛结束！");
    }
}

线程安全的集合类

原来的集合类, 大部分都不是线程安全的.
Vector, Stack, HashTable, 是线程安全的(不建议用), 其他的集合类不是线程安全的.

多线程环境使用 ArrayList

1. 自己加锁，自己使用synchronized或者ReentrantLock
2. Collections.synchronized 这里会提供一些ArrayList相关的方法，同时是带锁的
3. CopyOnWriteArrayList：简称COW,也叫做“写时拷贝”
   如果针对这个ArrayList进行读操作，不做任何额外的工作。
   如果进行写操作，则拷贝一份新的ArrayList，针对新的进行修改，修改过程中如果有读操作，就继续读旧的这份数据，当修改完毕了，使用新的替换旧的（本质上是一个引用之间的赋值，原子的）

很明显，这种方案，有点是不需要加锁，缺点则是要求这个ArrayList不能太大。适用于数组比较小的情况下。

比如：
服务器程序的配置维护：
一个程序可能包含很多的子功能，有的功能想要使用，有的不想要使用，有的希望功能应用不同的形态，就可以使用一系列的“开关选型”来控制当前这个程序的工作状态。
服务器程序的配置文件，可能会需要进行修改。修改配置可能就需要重启服务器才能生效。但是重启的操作可能成本比较高。

假设一个服务器重启需要耗时5min，如果有20台服务器，就需要100min。

因此，很多服务器，都提供了“热加载”（reload）这样的功能，通过这样的功能就可以不重启服务器，实现配置的更新。热加载的实现，就可以使用刚才所说的 写时拷贝 思路。

新的配置放到新的对象中，加载过程中，请求任然基于旧配置进行工作。当新的对象加载完毕，使用新对象替代旧对象。（替换完成之后，旧的对象就可以释放了）

多线程使用队列

• ArrayBlockingQueue 基于数组实现的阻塞队列
• LinkedBlockingQueue 基于链表实现的阻塞队列
• PriorityBlockingQueue基于堆实现的带优先级的阻塞队列
• TransferQueue 最多只包含一个元素的阻塞队列

多线程使用哈希表（重点）

HashMap是线程不安全的。
HashTable是线程安全的。（给关键方法加了Synchronized）
更推荐使用的是ConcurrentHashMap：更优化的线程安全哈希表。
考点：ConcurrentHashMap进行了哪些优化？比HashTable好在哪里？和HashTable之间的区别是什么？

1. 最大的优化之处：ConcurrentHashMap相比于HashTable大大缩小了锁冲突的概率，把一把大锁，转化成多把小锁了。
   HashTable做法是直接在方法上加synchronized，等于是给this加锁，只要操作哈希表上的任何元素，都会产生加锁，也就有可能发生锁冲突。
   但是实际上，仔细思考不难发现，其实基于哈希表的结构特点，有些元素在进行并发操作的时候，是不会产生线程安全问题的，也就不需要使用锁控制。

此时，元素1，2在同一个链表上。如果线程A修改元素1，线程B修改元素2，就可能会有线程安全问题。（比如这两个元素相邻，此时并发删除/插入，就需要修改这两个节点相邻的节点的next的指向）
如果线程A修改元素3，线程B修改元素4不会有线程安全问题。这个情况是不需要加锁的。
HashTable，锁冲突概率就大大增加了，任何两个元素的操作都会有锁冲突，即使是在不同链表上。

ConcurrentHashMap做法是：每个链表有各自的锁。（而不是大家公用一把锁）
具体来说，就是使用每个链表的头结点作为锁对象。（两个线程针对同一个锁对象加锁，才有竞争，才有阻塞等待，针对不同对象，没有锁竞争）

此时，锁的粒度变小了。针对1，2。是针对同一把锁进行加锁，会有锁竞争，会保证线程安全。
针对3，4.是针对不同的锁进行加锁，不会有锁竞争了，没有阻塞等待，程序就会更快。（快是相对的）

上图中的情况, 是针对JDK1.8及其以后的情况, 而JDK1.8之前, ConcurrentHashMap使用的是 “分段锁”, 分段锁本质上也是缩小锁的范围从而降低锁冲突的概率, 但是这种做法不够彻底, 一方面锁的粒度切分的还不够细, 另一方面代码实现也更繁琐.

2. ConcurrentHashMap做了一个激进的操作：针对读操作，不加锁，只针对写操作加锁。
读和读之间没有冲突
写和写之间有冲突
读和写之间没有冲突（很多场景下，读写之间不加锁控制，可能就读到了一个写了一半的操作，如果写操作不是院子的，此时读就可能会读到写了一般的数据，相当于脏读）针对此情况可以使用volatile+原子的写操作。

3. ConcurrentHashMap内部充分地使用了CAS，通过这个也来进一步的削减加锁操作的数目。比如维护元素个数
4. 针对扩容，采取了“化整为零”的方式。
HashMap/HashTable扩容：
创建一个更大的数据空间，把旧的数组上的链表上的每个元素搬运到新的数组上。（删除+插入）
这个扩容操作会在某次put的时候进行触发
如果元素个数特别多，就会导致这样的搬运操作比较耗时。
就会出现：某次put比平时的put卡很多倍。

ConcurrentHashMap中，扩容采取的是每次搬运一小部分元素的方式。
创建新的数组，旧的数组也保留。
每次put操作，都会往新数组上添加，同时进行一部分搬运（把一小部分旧的元素搬到新数组上）
每次get的时候，则旧数组和新数组都查询
每次remove的时候，只是把元素删了就行。
…
经过一段时间后，所有的元素都搬运好了，最终再释放旧数组。

相关面试题

1. ConcurrentHashMap的读是否要加锁，为什么?

读操作没有加锁. 目的是为了进一步降低锁冲突的概率. 为了保证读到刚修改的数据, 搭配了
volatile 关键字.

2. 介绍下 ConcurrentHashMap的锁分段技术?

这个是 Java1.7 中采取的技术. Java1.8 中已经不再使用了. 简单的说就是把若干个哈希桶分成一个"段" (Segment), 针对每个段分别加锁.
目的也是为了降低锁竞争的概率. 当两个线程访问的数据恰好在同一个段上的时候, 才触发锁竞争.

3. ConcurrentHashMap在jdk1.8做了哪些优化？

取消了分段锁, 直接给每个哈希桶(每个链表)分配了一个锁(就是以每个链表的头结点对象作为锁对 象). 将原来 数组 + 链表的实现方式改进成 数组 + 链表 / 红黑树 的方式. 当链表较长的时候(大于等于 8 个元素)就转换成红黑树.

4) Hashtable和HashMap、ConcurrentHashMap 之间的区别?

HashMap: 线程不安全. key 允许为 null
Hashtable: 线程安全. 使用 synchronized 锁 Hashtable 对象, 效率较低. key 不允许为 null.
ConcurrentHashMap: 线程安全. 使用 synchronized 锁每个链表头结点, 锁冲突概率低, 充分利用
CAS 机制. 优化了扩容方式. key 不允许为 null