1501 - JUC高并发

须知少许凌云志，曾许人间第一流

看的是尚硅谷的视频做的学习总结，感恩老师，下面是视频的地址

传送门icon-default.png?t=N7T8https://www.bilibili.com/video/BV1Kw411Z7dF

0.思维导图

1.JUC简介

1.1 什么是JUC

JUC， java.util.concurrent工具包的简称，一个处理线程的工具包。

1.2 进程和线程的概念

1.2.1 进程与线程

  • 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；进程是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；进程之内独立执行的一个单元执行流；线程是程序执行的最小单位。

一个进程包含多个线程。

1.2.2 线程的状态

查看jdk源码

1.2.3 wait 和 sleep

区别

  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。（wait会释放锁去睡觉，sleep会抓住锁去睡觉，在哪里谁就会在哪里醒）
  3. 它们都可以被interrupt方法中断。

1.2.4 并发和并行

  • 并发

同一时间间隔内多个线程交替执行，实际上是宏观上并行，微观上串行。（春运抢票，电商秒杀，抢同一个资源）

  • 并行

同一时刻多个线程正在执行，多核并行。（一边看书，一边听音乐）

1.2.5 管程

叫 Monitor 监视器，就是锁。

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数据或者代码。

1.2.6 用户线程和守护线程

  • 用户线程

自定义的线程，不随主线程的结束而结束。主线程结束了，用户线程还会运行，jvm还是存活状态。

  • 守护线程

随着主线程的结束而结束，如垃圾回收线程。主线程结束，jvm结束。

2.Lock接口

2.1 Synchronized

2.1.1 Synchronized作用范围

synchronized是Java的关键字，是一种同步锁。

synchronized的作用范围可以根据使用方式的不同而有所区别，主要有以下几种情况：

  • 同步方法（实例方法）
public class SynchronizedExample {public synchronized void syncMethod() {// 同步代码块}
}

当synchronized修饰一个实例方法时，它作用于整个方法体。当一个线程进入一个对象的同步方法时，其他线程在该对象上调用同步方法时会被阻塞，直到第一个线程退出该方法。这种同步方式是基于对象的，也就是说，不同的对象实例的同步方法是互不干扰的。

  • 同步静态方法
public class SynchronizedExample {public static synchronized void syncStaticMethod() {// 同步代码块}
}

当synchronized修饰一个静态方法时，它作用于整个静态方法体。由于静态方法是属于类的，而不是类的实例，因此这种同步是基于类的。当一个线程进入一个类的同步静态方法时，其他线程在该类上调用同步静态方法时会被阻塞。

  • 同步代码块
public class SynchronizedExample {private final Object lock = new Object();public void someMethod() {synchronized (lock) {// 同步代码块}}
}

synchronized也可以用来修饰一个代码块，此时需要指定一个对象作为锁对象。当线程进入同步代码块时，它会获取指定对象的锁，如果其他线程已经持有该对象的锁，则进入阻塞状态。这种同步方式允许更细粒度的控制，只同步需要同步的代码部分。 

2.1.2 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：创建多个线程，去调用资源类的操作方法。

2.1.3 Synchronized实现买票示例

需求：3个售票员卖一百张门票。

分析：资源是一百张门票，操作方法是买票，创建多个线程是3个售货员。

代码示例

// 第一步：定义资源类
class Ticket {// 第二步：定义资源public int number = 100;// 第三步：定义操作方法public synchronized void sale() {if (number > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出第" + (100 - number + 1) + "张票，剩余" + --number + "张票");}}
}public class SaleTicket {public static void main(String[] args) {Ticket ticket = new Ticket();// 使用匿名内部类创建线程Runnable runnable = () -> {for (int i = 0; i < 150; i++) {ticket.sale();}};// 创建多个线程进行卖票new Thread(runnable,"售票员1").start();new Thread(runnable,"售票员2").start();new Thread(runnable,"售票员3").start();}
}

输出结果

2.2 Lock

2.2.1 Lock接口的介绍

Lock 实现提供比使用 synchronized 方法和语句可以获得的更广泛的锁定操作。

2.2.2 使用Lock实现卖票例子

// 第一步：定义资源类
class Ticket {// 第二步：定义资源public int number = 100;// 创建可重入锁private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 第三步：定义操作方法public synchronized void sale() {// 手动上锁lock.lock();try{if (number > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出第" + (100 - number + 1) + "张票，剩余" + --number + "张票");}}finally {// 手动解锁lock.unlock();}}
}public class SaleTicket {public static void main(String[] args) {Ticket ticket = new Ticket();// 使用匿名内部类创建线程Runnable runnable = () -> {for (int i = 0; i < 150; i++) {ticket.sale();}};// 创建多个线程进行卖票new Thread(runnable,"售票员1").start();new Thread(runnable,"售票员2").start();new Thread(runnable,"售票员3").start();}
}

2.2.3 synchronized和Lock两者差异

  • synchronized是java内置关键字。Lock不是内置，可以实现同步访问且比 synchronized中的方法更加丰富。
  • synchronized自动释放锁，而lock需手动释放锁（不解锁会出现死锁，需要在 finally 块中释放锁）。
  • Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而等待synchronized锁的线程不能响应中断，会一直等待。
  • 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（当多个线程竞争的时候，Lock 性能远远好于synchronized）。

2.2.4 创建线程的四种方式

  1. 继承Thread类
  2. 实现Runnable接口
  3. 使用Callable接口
  4. 使用线程池

3.线程间通信

3.1 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，判断、干活、通知。

第三步：创建多个线程，去调用资源类的操作方法。

第四步：防止虚假唤醒。

3.2 synchronized 实现线程通信案例

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。

代码示例

// 第一步：创建资源类，定义属性和操作方法
class Share {private int number = 0;// +1的方法public synchronized void incr() throws InterruptedException {// 第二步：判断if (number != 0) {this.wait();}// 干活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 ThreadDemo {public static void main(String[] args) {// 第三步：创建多个线程，调用资源类中的操作方法Share share = new Share();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 3; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "生产").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 3; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "消费").start();}}

3.3 虚假唤醒问题（if改while）

当多个线程都处于等待集合中，一旦收到通知，可以直接操作而不再判断，这叫做虚假唤醒问题。 将this.wait()放在while循环中可以解决该问题。

代码示例

class Share {int number = 0;public synchronized void incr() throws InterruptedException {//判断if (number != 0) {this.wait();//这里会释放锁}//执行number++;System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " : " + number + "-->");// 通知this.notifyAll();}public synchronized void decr() throws InterruptedException {//判断if (number != 1) {this.wait();}//执行number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + number);//通知this.notifyAll();}
}public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {Share share = new Share();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "A").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "B").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "C").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "D").start();}
}

输出结果

原因

由于 wait() 方法使线程在哪里睡就在哪里醒，B和D在wait后被唤醒，执行操作时不会再通过 if 判断，从而导致出现异常结果。
为了保证线程“醒了”之后再次判断，需要将wait() 方法放入while循环中。 

class Share {int number = 0;public synchronized void incr() throws InterruptedException {//判断while (number != 0) {this.wait();}//执行number++;System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " : " + number + "-->");// 通知this.notifyAll();}public synchronized void decr() throws InterruptedException {//判断while (number != 1) {this.wait();}//执行number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + number);//通知this.notifyAll();}
}

3.4 Lock实现线程间通信案例

在 Lock 接口中，有一个 newCondition() 方法，返回一个新 Condition 绑定到该实例 Lock 实例。

Condition 类中有 await() 和 signalAll() 等方法，和 synchronized 实现案例中的 wait() 和 notifyAll() 方法相同。

代码示例

class Share {private int number = 0;//创建Lockprivate final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition condition = lock.newCondition();public void incr() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (number != 0) {condition.await();}number++;System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " : " + number + "-->");condition.signalAll();} finally {lock.unlock();}}public void decr() throws InterruptedException {lock.lock();try {//判断while (number != 1) {condition.await();}//执行number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + number);//通知condition.signalAll();} finally {lock.unlock();}}
}public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {Share share = new Share();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "A").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "B").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "C").start();new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 100; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "D").start();}
}

4.线程间定制化通信

4.1 Condition 类选择性通知

案例： 启动三个线程，按照如下要求执行，AA打印5此，BB打印10次，CC打印15次，一共进行10轮
具体思路： 每个线程添加一个标志位，是该标志位则执行操作，并且修改为下一个标志位，通知下一个标志位的线程。

代码示例

class ShareResource {// 标志位 1:AA 2:BB 3:CCprivate int flag = 1;private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 创建三个Condition对象，实现定向唤醒Condition c1 = lock.newCondition();Condition c2 = lock.newCondition();Condition c3 = lock.newCondition();public void print5(int loop) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (flag != 1) {c1.await();}for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + ", loop=" + loop);}flag = 2;c2.signal();} finally {lock.unlock();}}public void print10(int loop) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (flag != 2) {c2.await();}for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + ", loop=" + loop);}flag = 3;c3.signal();} finally {lock.unlock();}}public void print15(int loop) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (flag != 3) {c3.await();}for (int i = 0; i < 15; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + ", loop=" + loop);}flag = 1;c1.signal();} finally {lock.unlock();}}
}public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {ShareResource shareResource = new ShareResource();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {shareResource.print5(i);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "AA").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {shareResource.print10(i);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "BB").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {shareResource.print15(i);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}, "CC").start();}
}

上面的代码采用单标志法，设置一个公用整型变量flag，用于指示被允许进入临界区的进程编号。

若 flag =1，则允许 AA 进程进入临界区；

若 flag =2，则允许 BB 进程进入临界区；

若 flag =3，则允许 CC 进程进入临界区。

该算法可确保每次只允许一个进程进入临界区。但两个进程必须交替进入临界区，若某个进程不再进入临界区，则另一个进程也无法进入临界区。在线程的run()方法调用中设置不同的loop次数，在后期会有部分线程不能访问 Share 资源了，违背了"空闲让进"原则，让资源利用不充分。

4.2 进程/线程同步四个原则

  • 空闲让进：临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区。
  • 忙则等待：当已经有进程进入临界区的时候，其他试图进入临界区的进程必须等待。
  • 有限等待：对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区。
  • 让权等待：当进程不能进入临界区的时候，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

5.集合的线程安全

集合线程不安全，简单来说就是底层的方法没有使用同步安全锁。

5.1 ArrayList 不安全

jdk源码

没有使用synchronized关键字，所以在多线程并发时，会出现线程安全问题。

代码示例

public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 30; i++) {new Thread(() -> {list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));System.out.println(list);}, String.valueOf(i)).start();}}
}

运行报错

5.2 解决方案 Vector

jdk源码

Vector类中的方法加了synchronized关键字，因此可以保证线程安全。

代码改造

public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = new Vector<>();for (int i = 0; i < 30; i++) {new Thread(() -> {list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));System.out.println(list);}, String.valueOf(i)).start();}}
}

 运行结果

5.3 解决方案 synchronizedList(List list) 

Collections 接口中的 synchronizedList(List list) 方法，可以将传入的 List列表对象转为同步（线程安全的）列表并返回。

语法

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

jdk源码

代码示例

public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());for (int i = 0; i < 30; i++) {new Thread(() -> {list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));System.out.println(list);}, String.valueOf(i)).start();}}
}

5.4 解决方案 CopyOnWriteArrayList

语法

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList 采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁。（redis也使用）

  • 读的时候并发读取旧数据（多个线程操作）
  • 写的时候独立，先复制一份比旧数据长 1 的数据出来，在最后添加数据，旧新合并，完成写操作，之后就可以读所有数据（每次加新内容都写到新区域，合并之前旧区域，读取新区域添加的内容）

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