Java常见JUC并发工具类

Lock

并发编程领域的两大核心问题：

  • 一个是 互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源
  • 另一个是 同步，即线程之间如何通信、协作

这两大问题，管程（synchronized）都是能够解决的。Java SDK并发包通过Lock和Condition两个接口来实现管程，其中Lock用于解决互斥问题，Condition用于解决同步问题。

为什么再造管程？

既然Java从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在SDK里提供另外一种实现呢？因为 synchronized 在功能上有一些局限性。

  • 无法中断一个正在等待获取锁的线程
  • 在请求获取一个锁时会无限地等待下去
  • 无法实现非阻塞结构地加锁规则

设计新的锁

  • 能响应中断：阻塞状态的线程能够响应中断信号，被唤醒。
  • 支持超时：在一定时间内没有获取到锁，返回一个错误。
  • 非阻塞地获取锁：尝试获取锁失败，不进入阻塞状态，而是直接返回。

Lock 接口实现了这三个设计方案

// 支持中断的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();

ReentrantLock

ReentrantLock 是 Java 5.0 增加的一种新的机制，并不是用来替代内置加锁的方法，而是当内置加锁机制不适用时作为一种可选择的高级功能。相对于 synchronized 它具备如下特点

  • 可中断
  • 可以设置超时时间
  • 可以设置为公平锁
  • 支持多个条件变量

基本语法：需要注意在 finally 中释放锁

// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
 // 临界区
} finally {
 // 释放锁
 reentrantLock.unlock();
}

与 synchronized 的选择

  • 性能：
    • Java 5.0 中，ReentrantLock 比内置锁提供更好的竞争性能，有更好的吞吐量。
    • Java 6 使用了改进后的算法来管理内置锁，与在 ReentrantLock 中使用的算法类似。二者的吞吐量非常接近，ReentrantLock 略有胜出。
  • ReentrantLock 提供的其他功能
    • 定时的锁等待
    • 可中断的锁等待
    • 公平性
    • 实现非块结构的加锁
  • ReentrantLock 的危险性
    • 必须在 finally 块中调用 unlock()
  • 建议
    • 当需要这些高级功能才应该使用 ReentrantLock，否则优先使用 synchronized
    • 未来更可能会提升 synchronized 的性能而不是 ReentrantLock。因为 synchronized 是 JVM 的内置属性，能执行一些优化

可重入

如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有地锁，这个请求会成功。“重入”意味着获取锁的操作粒度是“线程”，而不是“调用”。

公平锁

  • 公平锁：线程按照他们发出请求的顺序来获得锁，FIFO。
  • 非公平锁：不提供公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒，获得锁。

用管程实现异步转同步

定义和实现方式

调用方是否需要等待结果，如果需要等待结果，就是同步；如果不需要等待结果，就是异步。

异步的实现方式：

  1. 调用方创建一个子线程，在子线程中执行方法调用，这种调用我们称为 异步调用；
  2. 方法实现的时候，创建一个新的线程执行主要逻辑，主线程直接return，这种方法我们一般称为 异步方法。

dubbo 中的异步转同步

// 创建锁与条件变量
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition done = lock.newCondition();
// 调用方通过该方法等待结果
Object get(int timeout){
  long start = System.nanoTime();
  lock.lock();
  try {
  while (!isDone()) {
    done.await(timeout);
       long cur = System.nanoTime();
    if (isDone() || cur - start > timeout){
      break;
    }
  }
  } finally {
  lock.unlock();
  }
  if (!isDone()) {
  throw new TimeoutException();
  }
  return returnFromResponse();
}
// RPC结果是否已经返回
boolean isDone() {
  return response != null;
}
// RPC结果返回时调用该方法
private void doReceived(Response res) {
  lock.lock();
  try {
    response = res;
    if (done != null) {
      done.signal();
    }
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

调用线程通过调用get()方法等待RPC返回结果，这个方法里面，你看到的都是熟悉的“面孔”：调用lock()获取锁，在finally里面调用unlock()释放锁；获取锁后，通过经典的在循环中调用await()方法来实现等待。

当RPC结果返回时，会调用doReceived()方法，这个方法里面，调用lock()获取锁，在finally里面调用unlock()释放锁，获取锁后通过调用signal()来通知调用线程，结果已经返回，不用继续等待了。

Semaphore 信号量

几乎所有支持并发的语言都支持。用来限制能同时访问共享资源的线程上限。

对比 Lock：可以允许多个线程访问一个临界区

应用场景

可用于做流量控制，特别是公共资源优先的应用场景，如数据库连接（池）。

如需要读取几万个文件存储到数据库中，可以启动几十个线程并发读取，但数据库连接数有限，只有 10 个。此时必须控制只有 10 个线程可以同时获取数据库连接。

信号量模型

信号量模型图
信号量模型图
  • init()：设置计数器的初始值。
  • down()：计数器的值减1；如果此时计数器的值小于0，则当前线程将被阻塞，否则当前线程可以继续执行。
  • up()：计数器的值加1；如果此时计数器的值小于或者等于0，则唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。 
class Semaphore {
  // 计数器
  int count;
  // 等待队列
  Queue queue;
  // 初始化操作
  Semaphore(int c) {
    this.count = c;
  }
  //
  void down() {
    this.count--;
    if (this.count < 0) {
      //将当前线程插入等待队列
      //阻塞当前线程
    }
  }
  void up() {
    this.count++;
    if (this.count <= 0) {
      //移除等待队列中的某个线程T
      //唤醒线程T
    }
  }
}

信号量的使用

在进入临界区之前执行一下 down() 操作，退出临界区之前执行一下 up() 操作就可以了。

static int count;
// 初始化信号量
static final Semaphore s = new Semaphore(1);
// 用信号量保证互斥
static void addOne() {
  s.acquire();
  try {
    count += 1;
  } finally {
    s.release();
  }
}

应用场景：池化资源，如连接池。在同一时刻允许多个线程使用。

实现限流器

限流：不允许多于 N 个线程同时进入临界区

ReadWriteLock

读写锁，适用于读多写少场景。

  1. 允许多个线程同时读共享变量；
  2. 只允许一个线程写共享变量；
  3. 如果一个写线程正在执行写操作，此时禁止读线程读共享变量。

ReentrantReadWriteLock 特性

  • 可重入
  • 读线程插队？
    • 非公平（默认）
    • 公平：等待时间最长的线程将优先获得锁。如果这个锁由读线程持有，而另一个线程请求写入锁，那么其他线程都不能获得读取锁，直到写线程使用完并且释放了写入锁。
  • 降级：一个线程持有写入锁，在不释放该锁的情况下获得读取锁。支持
  • 升级：一个线程持有读取锁，在不释放该锁的情况下获得写入锁。不支持

其他方法

alt

StampedLock

JDK 1.8 加入，在读写锁的基础上进一步优化读性能。

StampedLock支持三种模式，分别是：写锁、悲观读锁和乐观读，相比 ReadWriteLock 多了乐观读。

写锁、悲观读锁的语义和ReadWriteLock的写锁、读锁的语义非常类似，允许多个线程同时获取悲观读锁，但是只允许一个线程获取写锁，写锁和悲观读锁是互斥的。不同的是：StampedLock里的写锁和悲观读锁加锁成功之后，都会返回一个stamp；然后解锁的时候，需要传入这个stamp。

final StampedLock sl = new StampedLock();
// 获取/释放悲观读锁示意代码
long stamp = sl.readLock();
try {
  //省略业务相关代码
} finally {
  sl.unlockRead(stamp);
}
// 获取/释放写锁示意代码
long stamp = sl.writeLock();
try {
  //省略业务相关代码
} finally {
  sl.unlockWrite(stamp);
}

乐观读

所谓的乐观读模式，也就是若读的操作很多，写的操作很少的情况下，你可以乐观地认为，写入与读取同时发生几率很少，因此不悲观地使用完全的读取锁定，程序可以查看读取资料之后，是否遭到写入执行的变更，再采取后续的措施(重新读取变更信息，或者抛出异常) ，这一个小小改进，可大幅度提高程序的吞吐量。

乐观读这个操作是无锁的，所以相比较ReadWriteLock的读锁，乐观读的性能更好一些。StampedLock提供的乐观读，是允许一个线程获取写锁，也就是说不是所有的写操作都被阻塞。

long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 判断执行读取操作期间，是否存在写操作，如果存在，则 validate 返回 false
if (!lock.validate(stamp)) {
    // 升级为悲观读锁
    stamp = lock.readLock();
    try {
        // 读
    } finally {
        lock.unlockRead(stamp);
    }
}

与 ReadWriteLock 对比

功能

对于读多写少的场景StampedLock性能很好，简单的应用场景基本上可以替代ReadWriteLock，但是StampedLock的功能仅仅是ReadWriteLock的子集。

  • StampedLock 不可重入
  • 不支持条件变量
性能

ReadWritLock相比，在一个线程情况下，是读速度其4倍左右，写是1倍。

alt

下图是六个线程情况下，读性能是其几十倍，写性能也是近10倍左右：

alt

使用模板

StampedLock读模板：

final StampedLock sl = new StampedLock();
// 乐观读
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
// 读入方法局部变量
......
// 校验stamp
if (!sl.validate(stamp)){
  // 升级为悲观读锁
  stamp = sl.readLock();
  try {
    // 读入方法局部变量
    .....
  } finally {
    //释放悲观读锁
    sl.unlockRead(stamp);
  }
}
//使用方法局部变量执行业务操作
......

StampedLock写模板：

long stamp = sl.writeLock();
try {
  // 写共享变量
  **......
} finally {
  sl.unlockWrite(stamp);
}

CountDownLatch

JDK 1.5 之后提供，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。类似于对多个线程的 join()，并且比 join() 的功能更多，更灵活。

应用场景

  • 等待多个线程执行完成
  • 等待位点执行完成

CyclicBarrier

一组线程达到一个屏障（同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达时才会打开屏障，所有被拦截的线程继续运行。Cyclic，表示可以循环利用。计数器减到 0 后会自动重置成初始值。

应用场景

多线程计算数据，最后合并结算结果。

和 CountDownLatch 的区别

  • CountDownLatch 计数器只能用一次，CyclicBarrier 计数器可以用 reset() 方法重置，可以处理更复杂的业务场景。
  • CyclicBarrier 提供其他有用的方法。
    • getNumberWaiting() 获取阻塞线程数量
    • isBroken() 阻塞的线程是否被中断

并发容器

同步容器

将非线程安全的容器封装在对象内部，然后控制好访问路径，就可以将非线程安全的容器封装成同步容器。

SafeArrayList<T> {
  //封装ArrayList
  List<T> c = new ArrayList<>();
  //控制访问路径
  synchronized T get(int idx){
    return c.get(idx);
  }
  synchronized void add(int idx, T t) {
    c.add(idx, t);
  }
  synchronized boolean addIfNotExist(T t){
    if(!c.contains(t)) {
      c.add(t);
      return true;
    }
    return false;
  }
}

Collections 提供了接口，将非线程安全的类包装成线程安全的类。

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
Set set = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

需要注意的是组合操作和迭代器操作，这些操作不具备原子性

并发容器

List

List 只有一个实现类：CopyOnWriteArrayList。

  • 它内部维护了一个数组，读操作都是基于数据进行的。

  • 在写的时候会将共享变量重新复制一份出来，这样读操作完全无锁。写完之后将新的变量赋值回去。

执行增加元素的内部结构图
执行增加元素的内部结构图

注意事项：

  1. CopyOnWriteArrayList 仅适用于 写操作非常少的场景，而且 能够容忍读写的短暂不一致。因为写入的新元素并不能立刻被遍历到。
  2. CopyOnWriteArrayList 迭代器是只读的，不支持增删改。因为迭代器遍历的仅仅是一个快照，而对快照进行增删改是没有意义的。
Map
https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8b0d3f72dac8b74ff838ccf2aef12e08.png
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此外，ConcurrentHashMap 的 key 是无序的，而 ConcurrentSkipListMap 的 key 是有序的。

ConcurrentSkipListMap 里面的 SkipList 本身就是一种数据结构，中文一般都翻译为“跳表”。跳表插入、删除、查询操作平均的时间复杂度是 O(log n)，理论上和并发线程数没有关系，所以在并发度非常高的情况下，若你对 ConcurrentHashMap 的性能还不满意，可以尝试一下 ConcurrentSkipListMap。

跳表

alt
Set

Set 接口的两个实现是 CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentSkipListSet ，使用场景可以参考前面讲述的 CopyOnWriteArrayList 和ConcurrentSkipListMap

Queue
  1. 阻塞与非阻塞，所谓阻塞指的是当队列已满时，入队操作阻塞；当队列已空时，出队操作阻塞。
  2. 单端与双端，单端指的是只能队尾入队，队首出队；而双端指的是队首队尾皆可入队出队。

阻塞队列都用Blocking关键字标识，单端队列使用Queue标识，双端队列使用Deque标识

  1. 单端阻塞队列： ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue、LinkedTransferQueue、PriorityBlockingQueue 和DelayQueue

    内部一般会持有一个队列，这个队列可以是数组（其实现是ArrayBlockingQueue）也可以是链表（其实现是LinkedBlockingQueue）；甚至还可以不持有队列（其实现是SynchronousQueue），此时生产者线程的入队操作必须等待消费者线程的出队操作。而LinkedTransferQueue融合LinkedBlockingQueue和SynchronousQueue的功能，性能比LinkedBlockingQueue更好；PriorityBlockingQueue支持按照优先级出队；DelayQueue支持延时出队。

    单端阻塞队列示意图
    单端阻塞队列示意图

  2. 双端阻塞队列：其实现是 LinkedBlockingDeque

    双端阻塞队列示意图
    双端阻塞队列示意图

  3. 单端非阻塞队列：ConcurrentLinkedQueue

  4. 双端非阻塞队列：ConcurrentLinkedDeque

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