Java核心知识点整理大全10-笔记

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目录

4.1.17. 如何在两个线程之间共享数据

将数据抽象成一个类，并将数据的操作作为这个类的方法

Runnable 对象作为一个类的内部类

4.1.18. ThreadLocal 作用（线程本地存储）

ThreadLocalMap（线程的一个属性）

使用场景

4.1.19. synchronized 和 ReentrantLock 的区别

4.1.19.1. 两者的共同点：

4.1.19.2. 两者的不同点：

4.1.20. ConcurrentHashMap 并发

4.1.20.1. 减小锁粒度

4.1.20.2. ConcurrentHashMap 分段锁

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成

4.1.21. Java 中用到的线程调度

4.1.21.1. 抢占式调度：

4.1.21.2. 协同式调度：

4.1.21.3. JVM 的线程调度实现（抢占式调度）

4.1.21.4. 线程让出 cpu 的情况：

4.1.22. 进程调度算法

4.1.22.1. 优先调度算法

4.1.22.2. 高优先权优先调度算法

1. 非抢占式优先权算法

2. 抢占式优先权调度算法

3．高响应比优先调度算法

4.1.22.3. 基于时间片的轮转调度算法

1. 时间片轮转法

2. 多级反馈队列调度算法

4.1.23.1. 概念及特性

4.1.23.2. 原子包 java.util.concurrent.atomic（锁自旋） JDK1.5 的原子包：

4.1.23.3. ABA 问题

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4.1.17. 如何在两个线程之间共享数据

Java 里面进行多线程通信的主要方式就是共享内存的方式，共享内存主要的关注点有两个：可见 性和有序性原子性。Java 内存模型（JMM）解决了可见性和有序性的问题，而锁解决了原子性的 问题，理想情况下我们希望做到“同步”和“互斥”。有以下常规实现方法：

将数据抽象成一个类，并将数据的操作作为这个类的方法

1. 将数据抽象成一个类，并将对这个数据的操作作为这个类的方法，这么设计可以和容易做到 同步，只要在方法上加”synchronized“

public class MyData {
         private int j=0;
    public synchronized void add(){
         j++;
        System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"j 为："+j);
    }
    public synchronized void dec(){
         j--;
         System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"j 为："+j);
         }
         public int getData(){
             return j;
         }
    }
public class AddRunnable implements Runnable{
         MyData data;
         public AddRunnable(MyData data){
             this.data= data;
     } 
 public void run() {
     data.add();
    }
    }
public class DecRunnable implements Runnable {
     MyData data;
     public DecRunnable(MyData data){
         this.data = data;
     }
     public void run() {
         data.dec();
         }
    }
public static void main(String[] args) {
     MyData data = new MyData();
     Runnable add = new AddRunnable(data);
     Runnable dec = new DecRunnable(data);
     for(int i=0;i<2;i++){
     new Thread(add).start();
     new Thread(dec).start();
     }

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Runnable 对象作为一个类的内部类

2. 将 Runnable 对象作为一个类的内部类，共享数据作为这个类的成员变量，每个线程对共享数 据的操作方法也封装在外部类，以便实现对数据的各个操作的同步和互斥，作为内部类的各 个 Runnable 对象调用外部类的这些方法。

public class MyData {
         private int j=0;
         public synchronized void add(){
             j++;
         System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"j 为："+j);
         }
         public synchronized void dec(){
             j--;
         System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"j 为："+j);
         }
         public int getData(){
             return j;
        }
    }
public class TestThread {
         public static void main(String[] args) {
         final MyData data = new MyData();
         for(int i=0;i<2;i++){
             new Thread(new Runnable(){
              public void run() {
                 data.add();
              }
         }).start();
         new Thread(new Runnable(){
             public void run() {
                 data.dec();
             }
         }).start();
       }
   }
}

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4.1.18. ThreadLocal 作用（线程本地存储）

ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，ThreadLocal 的作用 是提供线程内的局部变量，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或 者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。

ThreadLocalMap（线程的一个属性）

1. 每个线程中都有一个自己的 ThreadLocalMap 类对象，可以将线程自己的对象保持到其中， 各管各的，线程可以正确的访问到自己的对象

。 2. 将一个共用的 ThreadLocal 静态实例作为 key，将不同对象的引用保存到不同线程的 ThreadLocalMap 中，然后在线程执行的各处通过这个静态 ThreadLocal 实例的 get()方法取 得自己线程保存的那个对象，避免了将这个对象作为参数传递的麻烦。

3. ThreadLocalMap 其实就是线程里面的一个属性，它在 Thread 类中定义ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

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使用场景

最常见的 ThreadLocal 使用场景为 用来解决 数据库连接、Session 管理等。

        private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
        public static Session getSession() throws InfrastructureException {
             Session s = (Session) threadSession.get();
             try {
                 if (s == null) {
                     s = getSessionFactory().openSession();
                     threadSession.set(s);
                 }
             } catch (HibernateException ex) {
                 throw new InfrastructureException(ex);
             }
             return s;
        }

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4.1.19. synchronized 和 ReentrantLock 的区别

4.1.19.1. 两者的共同点：

1. 都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问

2. 都是可重入锁，同一线程可以多次获得同一个锁 3. 都保证了可见性和互斥性

4.1.19.2. 两者的不同点：

1. ReentrantLock 显示的获得、释放锁，synchronized 隐式获得释放锁

2. ReentrantLock 可响应中断、可轮回，synchronized 是不可以响应中断的，为处理锁的 不可用性提供了更高的灵活性

3. ReentrantLock 是 API 级别的，synchronized 是 JVM 级别的

4. ReentrantLock 可以实现公平锁

5. ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件

6. 底层实现不一样， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲观并发策略，lock 是同步非阻 塞，采用的是乐观并发策略

7. Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言 实现。

8. 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。

9. 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。

10. 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。

11. Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率，既就是实现读写锁等。

4.1.20. ConcurrentHashMap 并发

4.1.20.1. 减小锁粒度

减小锁粒度是指缩小锁定对象的范围，从而减小锁冲突的可能性，从而提高系统的并发能力。减 小锁粒度是一种削弱多线程锁竞争的有效手段，这种技术典型的应用是 ConcurrentHashMap(高 性能的 HashMap)类的实现。对于 HashMap 而言，最重要的两个方法是 get 与 set 方法，如果我 们对整个 HashMap 加锁，可以得到线程安全的对象，但是加锁粒度太大。Segment 的大小也被 称为 ConcurrentHashMap 的并发度。

4.1.20.2. ConcurrentHashMap 分段锁

ConcurrentHashMap，它内部细分了若干个小的 HashMap，称之为段(Segment)。默认情况下 一个 ConcurrentHashMap 被进一步细分为 16 个段，既就是锁的并发度。 如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一个新的表项，并不是将整个 HashMap 加锁，而是首 先根据 hashcode 得到该表项应该存放在哪个段中，然后对该段加锁，并完成 put 操作。在多线程 环境中，如果多个线程同时进行 put操作，只要被加入的表项不存放在同一个段中，则线程间可以 做到真正的并行。

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。Segment 是一种可 重入锁 ReentrantLock，在 ConcurrentHashMap 里扮演锁的角色，HashEntry 则用于存储键值 对数据。一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，Segment 的结构和 HashMap 类似，是一种数组和链表结构， 一个 Segment 里包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是 一个链表结构的元素， 每个 Segment 守护一个 HashEntry 数组里的元素,当对 HashEntry 数组的 数据进行修改时，必须首先获得它对应的 Segment 锁。

4.1.21. Java 中用到的线程调度

4.1.21.1. 抢占式调度：

抢占式调度指的是每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制，系统控制指的是在系统某种 运行机制下，可能每条线程都分同样的执行时间片，也可能是某些线程执行的时间片较长，甚至 某些线程得不到执行的时间片。在这种机制下，一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。

4.1.21.2. 协同式调度：

协同式调度指某一线程执行完后主动通知系统切换到另一线程上执行，这种模式就像接力赛一样， 一个人跑完自己的路程就把接力棒交接给下一个人，下个人继续往下跑。线程的执行时间由线程 本身控制，线程切换可以预知，不存在多线程同步问题，但它有一个致命弱点：如果一个线程编 写有问题，运行到一半就一直堵塞，那么可能导致整个系统崩溃。

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抢占式调度                                                                                协同式调度

4.1.21.3. JVM 的线程调度实现（抢占式调度）

java 使用的线程调使用抢占式调度，Java 中线程会按优先级分配 CPU 时间片运行，且优先级越高 越优先执行，但优先级高并不代表能独自占用执行时间片，可能是优先级高得到越多的执行时间 片，反之，优先级低的分到的执行时间少但不会分配不到执行时间。

4.1.21.4. 线程让出 cpu 的情况：

1. 当前运行线程主动放弃 CPU，JVM 暂时放弃 CPU 操作（基于时间片轮转调度的 JVM 操作系 统不会让线程永久放弃 CPU，或者说放弃本次时间片的执行权），例如调用 yield()方法。

2. 当前运行线程因为某些原因进入阻塞状态，例如阻塞在 I/O 上。

3. 当前运行线程结束，即运行完 run()方法里面的任务。

4.1.22. 进程调度算法

4.1.22.1. 优先调度算法

1. 先来先服务调度算法（FCFS） 当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队 列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度中采 用 FCFS 算法时，则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机，特点是：算法比较 简单，可以实现基本上的公平。

2. 短作业(进程)优先调度算法 短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们 调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程， 将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重 新调度。该算法未照顾紧迫型作业。

4.1.22.2. 高优先权优先调度算法

为了照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先(FPF)调度 算法。当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队列中选择若干个优先权最高的作业装入内存。 当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程。

1. 非抢占式优先权算法

在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便一直执行下 去，直至完成；或因发生某事件使该进程放弃处理机时。这种调度算法主要用于批处理系统中； 也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。

2. 抢占式优先权调度算法

在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只 要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程) 的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。显然，这种抢占式的优先权调度算法能 更好地满足紧迫作业的要求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批 处理和分时系统中。

3．高响应比优先调度算法

在批处理系统中，短作业优先算法是一种比较好的算法，其主要的不足之处是长作业的运行 得不到保证。如果我们能为每个作业引入前面所述的动态优先权，并使作业的优先级随着等待时 间的增加而以速率 a 提高，则长作业在等待一定的时间后，必然有机会分配到处理机。该优先权的 变化规律可描述为：

(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于 短作业。

(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权 愈高，因而它实现的是先来先服务。

(3) 对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其 优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。简言之，该算法既照顾了短作业，又考虑了作业到 达的先后次序，不会使长作业长期得不到服务。因此，该算法实现了一种较好的折衷。当然，在 利用该算法时，每要进行调度之前，都须先做响应比的计算，这会增加系统开销。

4.1.22.3. 基于时间片的轮转调度算法

1. 时间片轮转法

在早期的时间片轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度 时，把 CPU 分配给队首进程，并令其执行一个时间片。时间片的大小从几 ms 到几百 ms。当执行 的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行， 并将它送往就绪队列的末尾；然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执 行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处 理机执行时间。

2. 多级反馈队列调度算法

(1) 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二 个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各 不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的 时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第 i+1 个队列的时间片要比第 i 个队列的时间片长 一倍。

(2) 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按 FCFS 原则排队等待调度。当 轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时 尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按 FCFS 原则等待调度执行；如果 它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个 长作业(进程)从第一队列依次降到第 n 队列后，在第 n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。

(3) 仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第 1～(i-1)队列均空时， 才会调度第 i 队列中的进程运行。如果处理机正在第 i 队列中为某进程服务时，又有新进程进入优 先权较高的队列(第 1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即 由调度程序把正在运行的进程放回到第 i 队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。 在多级反馈队列调度算法中，如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间 时，便能够较好的满足各种类型用户的需要。

4.1.23.1. 概念及特性

CAS（Compare And Swap/Set）比较并交换，CAS 算法的过程是这样：它包含 3 个参数 CAS(V,E,N)。V 表示要更新的变量(内存值)，E 表示预期值(旧的)，N 表示新值。当且仅当 V 值等于 E 值时，才会将 V 的值设为 N，如果 V 值和 E 值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当 前线程什么都不做。最后，CAS 返回当前 V 的真实值。 CAS 操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时 使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂 起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理， CAS 操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

4.1.23.2. 原子包 java.util.concurrent.atomic（锁自旋） JDK1.5 的原子包：

java.util.concurrent.atomic 这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就 是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个 线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等 到该方法执行完成，才由 JVM 从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。 相对于对于 synchronized 这种阻塞算法，CAS 是非阻塞算法的一种常见实现。由于一般 CPU 切 换时间比 CPU 指令集操作更加长， 所以 J.U.C 在性能上有了很大的提升。如下代码：

    public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
         private volatile int value;
        public final int get() {
             return value;
         }
         public final int getAndIncrement() {
             for (;;) { //CAS 自旋，一直尝试，直达成功
                 int current = get();
                 int next = current + 1;
                 if (compareAndSet(current, next))
                     return current;
         }
      }
         public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
     }
}

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getAndIncrement 采用了 CAS 操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1 后的结果进行 CAS 操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而 compareAndSet 利用 JNI 来完成 CPU 指令的操作。

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4.1.23.3. ABA 问题

CAS 会导致“ABA 问题”。CAS 算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时 刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A，这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A，并且 two 进行了一些操作变成了 B，然后 two 又将 V 位置的数据变成 A，这时候线程 one 进行 CAS 操 作发现内存中仍然是 A，然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功，但是不代表这个过 程就是没有问题的。

部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决 ABA 问题，乐观锁每次在执行数据的修 改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本 号执行+1 操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现 ABA 问 题，因为版本号只会增加不会减少。

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