Java - JUC(java.util.concurrent)包详解，其下的锁、安全集合类、线程池相关、线程创建相关和线程辅助类、阻塞队列
JUC是什么？
JUC是java.util.concurrent包的简称，在Java5.0添加，目的就是为了更好的支持高并发任务。让开发者进行多线程编程时减少竞争条件和死锁的问题
Java中线程有六个状态
java.lang.Thread.State
public enum State {
// 新生
NEW,
// 运行
RUNNABLE,
// 阻塞
BLOCKED,
// 等待
WAITING,
//超时等待
TIMED_WAITING,
//终止
TERMINATED;
}
JUC的结构
tools（工具类）：又叫信号量三组工具类，包含有
CountDownLatch（闭锁） 是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待
CyclicBarrier（栅栏） 之所以叫barrier，是因为是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 ，并且在释放等待线程后可以重用。
Semaphore（信号量） 是一个计数信号量，它的本质是一个“共享锁“。信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用 acquire()来获取信号量的许可；当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。
executor(执行者)：是Java里面线程池的顶级接口，但它只是一个执行线程的工具，真正的线程池接口是ExecutorService，里面包含的类有：
ScheduledExecutorService 解决那些需要任务重复执行的问题
ScheduledThreadPoolExecutor 周期性任务调度的类实现
atomic(原子性包)：是JDK提供的一组原子操作类
包含有AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicIntegerArray等原子变量类，他们的实现原理大多是持有它们各自的对应的类型变量value，而且被volatile关键字修饰了。这样来保证每次一个线程要使用它都会拿到最新的值。
locks（锁包）：是JDK提供的锁机制，相比synchronized关键字来进行同步锁，功能更加强大，它为锁提供了一个框架，该框架允许更灵活地使用锁包含的实现类有：
ReentrantLock 它是独占锁，是指只能被独自占领，即同一个时间点只能被一个线程锁获取到的锁。
ReentrantReadWriteLock 它包括子类ReadLock和WriteLock。ReadLock是共享锁，而WriteLock是独占锁。
LockSupport 它具备阻塞线程和解除阻塞线程的功能，并且不会引发死锁。
collections(集合类)：主要是提供线程安全的集合， 比如：
ArrayList对应的高并发类是CopyOnWriteArrayList，
HashSet对应的高并发类是 CopyOnWriteArraySet，
HashMap对应的高并发类是ConcurrentHashMap等等
synchronized和JUC的Lock
synchronized和lock锁的区别
synchronized内置的java关键字,Lock是一个java类
synchronized无法判断获取锁的状态, Lock可以判断是否获取到了锁
synchronized会自动释放锁,Lock必须要手动释放锁!如果不是释放锁,会产生死锁
synchronized 线程1(获得锁,阻塞),线程2(等待); Lock锁就不一定会等待下去
synchronized 可重入锁,不可以中断的,非公平的; Lock锁,可重入的,可以判断锁,非公平(可自己设置);
synchronized 适合锁少量的代码同步问题,Lock 适合锁大量的同步代码
reentrantLock
ReentrantLock 和 synchronized 的区别：
1.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。
2.synchronized只是非公平锁，ReentranLock 提供了公平锁和非公平锁两种实现，可以通过构造方法来切换。
3.ReentrantLock 还提供了一个特殊的加锁操作-- tryLock()。默认的 lock() 加锁失败就阻塞，而 tryLock() 加锁失败，则不阻塞，继续往下执行，并且返回 false。除了立即失败之外，tryLock() 还能设定一定的等待时间。
4.ReentrantLock 提供了更强大的等待/唤醒 机制。 synchronized 搭配的是 Object 类的 wait，notify，只能随机唤醒其中一个线程；ReentrantLock 搭配了 Condition 类来实现等待唤醒，可以做到能随机唤醒一个，也能指定线程唤醒。
构造方法：
public ReentrantLock() { sync = new NonfairSync(); //无参默认非公平锁 } public ReentrantLock(boolean fair) { sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//传参为true为公平锁 }
public class SaleTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
Ticket ticket = new Ticket();
new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "a").start();
new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "b").start();
new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "c").start();
}
}
class Ticket {
private int ticketNum = 30;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void sale() {
lock.lock();
try {
if (this.ticketNum > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购得第" + ticketNum-- + "张票, 剩余" + ticketNum + "张票");
}
//增加错误的发生几率
Thread.sleep(10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
Condition
精准的通知和唤醒线程
Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
Conditon中的await()对应Object的wait()；Condition中的signal()对应Object的notify()；
Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
| 对比项 | Object Monitor Methods | Condition | |
| 前置条件 | 获取对象的锁 | 调用Lock.lock()获取锁 调用Lock.newCondition() 获取 Condition 对象 |
|
| 调用方式 | 直接调用 如:object.wait0 |
直接调用 如:condition.await() |
|
| 等待队列个数 | 一个 | 多个 | |
| 当前线程释放锁并进入等待状态 | 支持 | 支持 | |
| 当前线程释放锁并进入等待状态,在 等待状态中不响应中断 |
不支持 | 支持 | |
| 当前线程释放锁并进入超时等待状态 | 支持 | 支持 | |
| 当前线程释放锁并进入等待状态到将 来的某个时间 |
不支持 | 支持 | |
| 唤醒等待队列中的一个线程 | 支持 | 支持 | |
| 唤醒等持队列中的全部线程 | 持 | 支持 | |
Condition常见例子（生产者消费者模式）
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class PC {
public static void main(String[] args) {
a a = new a();
new Thread(()->{
for (int i =0;i<10;i++){
a.increment();
}
},"A").start();
new Thread(()->{
for (int i =0;i<10;i++){
a.decrease();
}
},"B").start();
}
}
class a{
public int nummber=0;
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
public void increment(){
lock.lock();
try {
while(nummber!=0){
condition.await();
}
nummber++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+">>"+nummber);
condition.signalAll();
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void decrease(){
lock.lock();
try {
while(nummber!=1){
condition.await();
}
nummber--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+">>"+nummber);
condition.signalAll();
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
JUC下的读写锁ReentrantReadWriteLock
ReadWriteLock
package com.czp.lock;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* 独占锁(写锁) 一次只能由一个线程占有
* 共享锁(读锁) 一次可以有多个线程占有
* readWriteLock
* 读-读 可以共存
* 读-写 不能共存
* 写-写 不能共存
*/
public class ReadWriteLock {
public static void main(String[] args) {
MyCacheLock myCache = new MyCacheLock();
//写入操作
for (int i = 0; i < 6; i++) {
int temp = i;
new Thread(() -> {
myCache.put(temp + "", temp + "");
}, String.valueOf(i)).start();
}
//读取操作
for (int i = 0; i < 6; i++) {
int temp = i;
new Thread(() -> {
myCache.get(temp + "");
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
class MyCacheLock {
private volatile Map map = new HashMap<>();
//读写锁
private java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
// 存,写入的时候只有一个人操作
public Object get(String key) {
lock.readLock().lock();
Object o = null;
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取");
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
o = map.get(key);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取ok" + o);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
return o;
}
public void put(String key, Object value) {
lock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + key);
map.put(key, value);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入完毕");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
}
class MyCache {
private volatile Map map = new HashMap<>();
public Object get(String key) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取");
Object o = map.get(key);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取ok" + o);
return o;
}
public void put(String key, Object value) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + key);
map.put(key, value);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入完毕");
}
}
不安全的集合类和JUC的collections
list 不安全-CpoyOnWriteArrayList
CpoyOnWriteArrayList（写时复制）。当多个线程读的时候，是线程安全的，不需要加锁；当多个线程涉及到修改的时候，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。
//java.util.ConcurrentModificationException 并发修改异常!
public class ListTest {
public static void main(String[] args) {
//并发下 arrayList 是不安全的
/**
* 解决方案
* 1. 使用vector解决
* 2. List arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
* 3. List arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
*/
//copyOnWrite 写入时复制 COW 计算机程序设计领域的一种优化策略
//多个线程调用的时候, list, 读取的时候固定的,写入的时候,可能会覆盖
//在写入的时候避免覆盖造成数据问题
//CopyOnWriteArrayList 比 vector牛逼在哪里
//读写分离
List arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(()->{
arrayList.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println(arrayList);
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
set 不安全-CopyOnWriteArraySet
/**
* 同理可证
*/
public class SetTest {
public static void main(String[] args) {
// Set set = new HashSet<>();
//如何解决hashSet线程安全问题
//1. Set set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
Set set = new CopyOnWriteArraySet<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() -> {
set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 5));
System.out.println(set);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
hashSet底层是hashMap
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
// add 的本质就是 map 的 key key是无法重复的
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
private static final Object PRESENT = new Object();//这是一个不变的值
HashMap不安全-ConcurrentHashMap
Hashtable 是线程安全的，但是不推荐使用，因为它的做法是直接给 Hashtable 对象本身加锁。
如果是 Hashtable 这种加锁方式，两线程访问不同链表中的元素（hash运算不等会放在不同链表中），不会产生线程安全的情况，它也给加锁了，这就导致严重的竞争关系，大大的拖慢了程序的效率！！
size 属性也是通过 synchronized 来控制同步 , 也是比较慢的。
一旦触发扩容 , 就由该线程完成整个扩容过程 . 这个过程会涉及到大量的元素拷贝 , 效率会非常低。
ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap 相比于 Hashtable 做出了重大改进，它把锁的粒度细化了。（下图的改进是基于 Java 8 的）
此时每个桶一把锁，访问不同链表的元素，就不会产生锁竞争了；并且一个哈希表上面的桶的个数可能会非常多，这就进一步使锁冲突的概率大大降低了（稀释了）。
总结 ConcurrentHashMap 的优化策略 ：
把锁的粒度细化了，给每个哈希桶都加上一把锁（链表的头结点），降低了锁冲突的概率。
读不加锁，写才加锁。
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。
在维护 size 的时候，使用 CAS 机制，又进一步降低了锁冲突。
针对扩容场景做出了优化：化整为零
发现需要扩容的线程，只需要创建一个新的数组，同时只搬几个元素过去。扩容期间，新旧数组同时存在。后续每个来操作 ConcurrentHashMap 的线程, 都会参与搬家的过程，每个操作负责搬运一小部分元素。搬完最后一个元素再把旧数组删掉。这个期间，插入只往新数组加增加，查找需要同时查新数组和旧数组。
而 Hashtable，HashMap 它们在某次 put 的时候，触发扩容，由这个 put 完成整个扩容操作，就巨慢无比，非常低效！！
在 Java 8 之前，此处的 ConcurrentHashMap 并不是每个桶加锁，而是"分段锁"，若干个桶一把锁，类似下图：
HashMap 中 key 允许为 null ，Hashtable 和 ConcurrentHashMap 不允许
JUC的Callable()创建线程
普通的线程代码, 之前都是用的thread或者runnable接口
public class demo01 {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
threadDemo.start();
new Thread(new ThreadDemo2()).start();
}
}
class ThreadDemo extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println("普通线程已开启（继承Thread）");
}
}
class ThreadDemo2 implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println("普通线程已开启(实现Runnable接口)");
}
}
使用FutureTask+Callable创建多线程的方式
- 可以有返回值
- 可以抛出异常
- 方法不同, run() => call()
public class CallableTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new MyThread());
new Thread(futureTask,"a").start();
System.out.println(futureTask.get());
}
}
class MyThread implements Callable {
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("call()方法被调用了");
return 1024;
}
}
JUC中的tools(工具类/辅助类)
CountDownLatch
countDownLatch.countDown(); //数量减1
countDownLatch.await();// 等待计数器归零,然后再向下执行
每次有线程调用countDown()数量-1,假设计数器变为0,countDownLatch.await();就会被唤醒,继续执行
//计数器
public class demo02 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//相当于计数器
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
//计数器总数是5,当减少为0,任务才继续向下执行
for (int i = 1; i <6 ; i++) {
new Thread(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==>start");
countDownLatch.countDown();
}).start();
}
countDownLatch.await();
System.out.println("main线程继续向下执行");
}
}
cyclicBarrier
public class CyclicBarrierDemo {
public static void main(String[] args) {
/**
* 集齐77个龙珠召唤神龙
*/
// 召唤龙珠的线程
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7, ()->{
System.out.println("召唤神龙成功! ");
});
for (int i = 0; i < 7; i++) {
int temp = i;
//lambda 能拿到i吗
new Thread(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "收集" + temp + "个龙珠");
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
Semaphore
semaphore.acquire(); //获取信号量,假设如果已经满了,等待信号量可用时被唤醒
semaphore.release(); //释放信号量
作用: 多个共享资源互斥的使用!并发限流,控制最大的线程数
public class SemaphoreTest {
public static void main(String[] args) {
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 0; i < 6; i++) {
int temp = i;
new Thread(()->{
try {
semaphore.acquire(); //获取
System.out.println(temp + "号车抢到车位");
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release(); //释放
System.out.println(temp + "号车离开车位");
}
}).start();
}
}
}
JUC下的阻塞队列
什么情况下我们会使用阻塞队列,多线程并发处理,线程池!
如何使用队列？
添加 移除
四组API，核心put()、take()
| 方式 | 抛出异常 | 不会抛出异常,有返回值 | 阻塞等待 | 超时等待 |
| 添加操作 | add() | offer()供应 | put() | offer(obj,int,timeunit.status) |
| 移除操作 | remove() | poll()获得 | take() | poll(int,timeunit.status) |
| 判断队列首部 | element() | peek()偷看,偷窥 |
/**
* 抛出异常
*/
public static void test1() {
//队列的大小
ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
System.out.println(queue.add("a"));
System.out.println(queue.add("b"));
System.out.println(queue.add("c"));
//java.lang.IllegalStateException: Queue full
//System.out.println(queue.add("d"));
System.out.println("----------------------");
System.out.println(queue.remove());
System.out.println(queue.remove());
System.out.println(queue.remove());
//java.util.NoSuchElementException
System.out.println(queue.remove());
//抛出异常
}
/**
* 有返回值没有异常
*/
public static void test2(){
ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);
System.out.println(queue.offer("a"));
System.out.println(queue.offer("b"));
System.out.println(queue.offer("c"));
// System.out.println(queue.offer("d")); //offer 不抛出异常
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
// System.out.println(queue.poll()); //null 不抛出异常
}
/**
* 等待阻塞
*/
public static void test3() throws InterruptedException {
ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);
queue.put("a");
queue.put("b");
queue.put("c");
// queue.put("c"); 队列没有位置就会阻塞
System.out.println(queue.take());
System.out.println(queue.take());
System.out.println(queue.take());
}
SynchronousQueue同步队列
没有容量,
进去一个元素,必须等待取出来之后,才能再往里面放一个元素
put take
/**
* 同步队列
* 和其他的lockQueue 不一样， SynchronousQueue 不存储元素
*/
public class SyncQueue {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); //同步队列
new Thread(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 1");
synchronousQueue.put("1");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 2");
synchronousQueue.put("2");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 3");
synchronousQueue.put("3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"T1").start();
new Thread(()->{
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
}
},"T2").start();
}
}
运行结果
T1put 1
T2=>1
T1put 2
T2=>2
T1put 3
T2=>3
JUC下的类构建线程池
Executors
静态静态工厂方法，最终都是通过ThreadPoolExecutor类来完成的
