JUC

前言：
在Java中，线程部分是一个重点，本篇文章说的JUC也是关于线程的。JUC就是java.util .concurrent工具包的简称。这是一个处理线程的工具包，JDK 1.5开始出现的。下面一起来看看它怎么使用。

一、volatile关键字与内存可见性

1、内存可见性：
先来看看下面的一段代码：

public class TestVolatile {public static void main(String[] args){ //这个线程是用来读取flag的值的ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();Thread thread = new Thread(threadDemo);thread.start();while (true){if (threadDemo.isFlag()){System.out.println("主线程读取到的flag = " + threadDemo.isFlag());break;}}}
}@Data
class ThreadDemo implements Runnable{ //这个线程是用来修改flag的值的public  boolean flag = false;@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}flag = true;System.out.println("ThreadDemo线程修改后的flag = " + isFlag());}
}

这段代码很简单，就是一个ThreadDemo类继承Runnable创建一个线程。它有一个成员变量flag为false，然后重写run方法，在run方法里面将flag改为true，同时还有一条输出语句。然后就是main方法主线程去读取flag。如果flag为true，就会break掉while循环，否则就是死循环。按道理，下面那个线程将flag改为true了，主线程读取到的应该也是true，循环应该会结束。看看运行结果：

在这里插入图片描述

从图中可以看到，该程序并没有结束，也就是死循环。说明主线程读取到的flag还是false，可是另一个线程明明将flag改为true了，而且打印出来了，这是什么原因呢？这就是内存可见性问题。

内存可见性问题：当多个线程操作共享数据时，彼此不可见。
看下图理解上述代码：

在这里插入图片描述
要解决这个问题，可以加锁。如下：

while (true){synchronized (threadDemo){if (threadDemo.isFlag()){System.out.println("主线程读取到的flag = " + threadDemo.isFlag());break;}}}

加了锁，就可以让while循环每次都从主存中去读取数据，这样就能读取到true了。但是一加锁，每次只能有一个线程访问，当一个线程持有锁时，其他的就会阻塞，效率就非常低了。不想加锁，又要解决内存可见性问题，那么就可以使用volatile关键字。

2、volatile关键字：

用法：
volatile关键字：当多个线程操作共享数据时，可以保证内存中的数据可见。用这个关键字修饰共享数据，就会及时的把线程缓存中的数据刷新到主存中去，也可以理解为，就是直接操作主存中的数据。所以在不使用锁的情况下，可以使用volatile。如下：

public  volatile boolean flag = false;

这样就可以解决内存可见性问题了。

volatile和synchronized的区别：
volatile不具备互斥性(当一个线程持有锁时，其他线程进不来，这就是互斥性)。
volatile不具备原子性。

二、原子性

1、理解原子性：
上面说到volatile不具备原子性，那么原子性到底是什么呢？先看如下代码：

public class TestIcon {public static void main(String[] args){AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo();for (int x = 0;x < 10; x++){new Thread(atomicDemo).start();}}
}class AtomicDemo implements Runnable{private int i = 0;public int getI(){return i++;}@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getI());}
}

这段代码就是在run方法里面让i++，然后启动十个线程去访问。看看结果：
在这里插入图片描述
可以发现，出现了重复数据。明显产生了多线程安全问题，或者说原子性问题。所谓原子性就是操作不可再细分，而i++操作分为读改写三步，如下：

int temp = i;
i = i+1;
i = temp;

所以i++明显不是原子操作。上面10个线程进行i++时，内存图解如下：
在这里插入图片描述
看到这里，好像和上面的内存可见性问题一样。是不是加个volatile关键字就可以了呢？其实不是的，因为加了volatile，只是相当于所有线程都是在主存中操作数据而已，但是不具备互斥性。比如两个线程同时读取主存中的0，然后又同时自增，同时写入主存，结果还是会出现重复数据。

2、原子变量：
JDK 1.5之后，Java提供了原子变量，在java.util.concurrent.atomic包下。原子变量具备如下特点：

有volatile保证内存可见性。
用CAS算法保证原子性。

3、CAS算法：
CAS算法是计算机硬件对并发操作共享数据的支持，CAS包含3个操作数：

内存值V
预估值A
更新值B

当且仅当V==A时，才会把B的值赋给V，即V = B，否则不做任何操作。就上面的i++问题，CAS算法是这样处理的：首先V是主存中的值0，然后预估值A也是0，因为此时还没有任何操作，这时V=B，所以进行自增，同时把主存中的值变为1。如果第二个线程读取到主存中的还是0也没关系，因为此时预估值已经变成1，V不等于A，所以不进行任何操作。

4、使用原子变量改进i++问题：
原子变量用法和包装类差不多，如下：

 //private int i = 0;AtomicInteger i = new AtomicInteger();public int getI(){return i.getAndIncrement();}

只改这两处即可。

三、锁分段机制

JDK 1.5之后，在java.util.concurrent包中提供了多种并发容器类来改进同步容器类的性能。其中最主要的就是ConcurrentHashMap。

1、ConcurrentHashMap：
ConcurrentHashMap就是一个线程安全的hash表。我们知道HashMap是线程不安全的，Hash Table加了锁，是线程安全的，因此它效率低。HashTable加锁就是将整个hash表锁起来，当有多个线程访问时，同一时间只能有一个线程访问，并行变成串行，因此效率低。所以JDK1.5后提供了ConcurrentHashMap，它采用了锁分段机制。

在这里插入图片描述

如上图所示，ConcurrentHashMap默认分成了16个segment，每个Segment都对应一个Hash表，且都有独立的锁。所以这样就可以每个线程访问一个Segment，就可以并行访问了，从而提高了效率。这就是锁分段。但是，java 8 又更新了，不再采用锁分段机制，也采用CAS算法了。

2、用法:
java.util.concurrent包还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现： ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet、CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet。当期望许多线程访问一个给定 collection 时，ConcurrentHashMap 通常优于同步的 HashMap， ConcurrentSkipListMap 通常优于同步的 TreeMap。当期望的读数和遍历远远大于列表的更新数时，CopyOnWriteArrayList 优于同步的 ArrayList。下面看看部分用法：

public class TestConcurrent {public static void main(String[] args){ThreadDemo2 threadDemo2 = new ThreadDemo2();for (int i=0;i<10;i++){new Thread(threadDemo2).start();}}
}
//10个线程同时访问
class ThreadDemo2 implements Runnable{private static List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());//普通做法static {list.add("aaa");list.add("bbb");list.add("ccc");}@Overridepublic void run() {Iterator<String> iterator = list.iterator();while (iterator.hasNext()){System.out.println(iterator.next());//读list.add("ddd");//写}}
}

10个线程并发访问这个集合，读取集合数据的同时再往集合中添加数据。运行这段代码会报错，并发修改异常。
在这里插入图片描述

将创建集合方式改成：

private static CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

这样就不会有并发修改异常了。因为这个是写入并复制，每次生成新的，所以如果添加操作比较多的话，开销非常大，适合迭代操作比较多的时候使用。

四、闭锁

java.util.concurrent包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。ContDownLatch是一个同步辅助类，在完成某些运算时，只有其他所有线程的运算全部完成，当前运算才继续执行，这就叫闭锁。看下面代码：

public class TestCountDownLatch {public static void main(String[] args){LatchDemo ld = new LatchDemo();long start = System.currentTimeMillis();for (int i = 0;i<10;i++){new Thread(ld).start();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("耗费时间为："+(end - start)+"秒");}
}class LatchDemo implements Runnable{private CountDownLatch latch;public LatchDemo(){}@Overridepublic void run() {for (int i = 0;i<5000;i++){if (i % 2 == 0){//50000以内的偶数System.out.println(i);}}}
}

这段代码就是10个线程同时去输出5000以内的偶数，然后在主线程那里计算执行时间。其实这是计算不了那10个线程的执行时间的，因为主线程与这10个线程也是同时执行的，可能那10个线程才执行到一半，主线程就已经输出“耗费时间为x秒”这句话了。所有要想计算这10个线程执行的时间，就得让主线程先等待，等10个分线程都执行完了才能执行主线程。这就要用到闭锁。看如何使用：

public class TestCountDownLatch {public static void main(String[] args) {final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);//有多少个线程这个参数就是几LatchDemo ld = new LatchDemo(latch);long start = System.currentTimeMillis();for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(ld).start();}try {latch.await();//这10个线程执行完之前先等待} catch (InterruptedException e) {}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("耗费时间为：" + (end - start));}
}class LatchDemo implements Runnable {private CountDownLatch latch;public LatchDemo(CountDownLatch latch) {this.latch = latch;}@Overridepublic void run() {synchronized (this) {try {for (int i = 0; i < 50000; i++) {if (i % 2 == 0) {//50000以内的偶数System.out.println(i);}}} finally {latch.countDown();//每执行完一个就递减一个}}}
}

如上代码，主要就是用latch.countDown()和latch.await()实现闭锁，详细请看上面注释即可。

五、创建线程的方式 — 实现Callable接口

直接看代码：

public class TestCallable {public static void main(String[] args){CallableDemo callableDemo = new CallableDemo();//执行callable方式，需要FutureTask实现类的支持，用来接收运算结果FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(callableDemo);new Thread(result).start();//接收线程运算结果try {Integer sum = result.get();//当上面的线程执行完后，才会打印结果。跟闭锁一样。所有futureTask也可以用于闭锁System.out.println(sum);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}class CallableDemo implements Callable<Integer>{@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 0;i<=100;i++){sum += i;}return sum;}
}

现在Callable接口和实现Runable接口的区别就是，Callable带泛型，其call方法有返回值。使用的时候，需要用FutureTask来接收返回值。而且它也要等到线程执行完调用get方法才会执行，也可以用于闭锁操作。

六、Lock同步锁

在JDK1.5之前，解决多线程安全问题有两种方式(sychronized隐式锁)：

同步代码块
同步方法
在JDK1.5之后，出现了更加灵活的方式(Lock显式锁)：
同步锁
Lock需要通过lock()方法上锁，通过unlock()方法释放锁。为了保证锁能释放，所有unlock方法一般放在finally中去执行。

再来看一下卖票案例：

public class TestLock {public static void main(String[] args) {Ticket td = new Ticket();new Thread(td, "窗口1").start();new Thread(td, "窗口2").start();new Thread(td, "窗口3").start();}
}class Ticket implements Runnable {private int ticket = 100;@Overridepublic void run() {while (true) {if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(200);} catch (Exception e) {}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成售票，余票为：" + (--ticket));}}}
}

多个线程同时操作共享数据ticket，所以会出现线程安全问题。会出现同一张票卖了好几次或者票数为负数的情况。以前用同步代码块和同步方法解决，现在看看用同步锁怎么解决。

class Ticket implements Runnable {private Lock lock = new ReentrantLock();//创建lock锁private int ticket = 100;@Overridepublic void run() {while (true) {lock.lock();//上锁try {if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(200);} catch (Exception e) {}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成售票，余票为：" + (--ticket));}}finally {lock.unlock();//释放锁}}}
}

直接创建lock对象，然后用lock()方法上锁，最后用unlock()方法释放锁即可。

七、等待唤醒机制

1、虚假唤醒问题：
生产消费模式是等待唤醒机制的一个经典案例，看下面的代码：

public class TestProductorAndconsumer {public static void main(String[] args){Clerk clerk = new Clerk();Productor productor = new Productor(clerk);Consumer consumer = new Consumer(clerk);new Thread(productor,"生产者A").start();new Thread(consumer,"消费者B").start();}
}
//店员
class Clerk{private int product = 0;//共享数据public synchronized void get(){ //进货if(product >= 10){System.out.println("产品已满");}else {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (++product));}}public synchronized void sell(){//卖货if (product <= 0){System.out.println("缺货");}else {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (--product));}}
}
//生产者
class Productor implements Runnable{private Clerk clerk;public Productor(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0;i<20;i++){clerk.get();}}
}
//消费者
class Consumer implements Runnable{private Clerk clerk;public Consumer(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0;i<20;i++){clerk.sell();}}
}

这就是生产消费模式的案例，这里没有使用等待唤醒机制，运行结果就是即使是缺货状态，它也会不断的去消费，也会一直打印“缺货”，即使是产品已满状态，也会不断地进货。用等待唤醒机制改进：

//店员
class Clerk{private int product = 0;//共享数据public synchronized void get(){ //进货if(product >= 10){System.out.println("产品已满");try {this.wait();//满了就等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}else {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (++product));this.notifyAll();//没满就可以进货}}public synchronized void sell(){//卖货if (product <= 0){System.out.println("缺货");try {this.wait();//缺货就等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}else {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (--product));this.notifyAll();//不缺货就可以卖}}
}

这样就不会出现上述问题了。没有的时候就生产，生产满了就通知消费，消费完了再通知生产。但是这样还是有点问题，将上述代码做如下改动：

if(product >= 1){ //把原来的10改成1System.out.println("产品已满");......
public void run() {try {Thread.sleep(200);//睡0.2秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}for (int i = 0;i<20;i++){clerk.sell();}
}

就做这两处修改，再次运行，发现虽然结果没问题，但是程序却一直没停下来。出现这种情况是因为有一个线程在等待，而另一个线程没有执行机会了，唤醒不了这个等待的线程了，所以程序就无法结束。解决办法就是把get和sell方法里面的else去掉，不要用else包起来。但是，即使这样，如果再多加两个线程，就会出现负数了。

new Thread(productor, "生产者C").start();
new Thread(consumer, "消费者D").start();

运行结果：
在这里插入图片描述
一个消费者线程抢到执行权，发现product是0，就等待，这个时候，另一个消费者又抢到了执行权，product是0，还是等待，此时两个消费者线程在同一处等待。然后当生产者生产了一个product后，就会唤醒两个消费者，发现product是1，同时消费，结果就出现了0和-1。这就是虚假唤醒。解决办法就是把if判断改成while。如下：

 public synchronized void get() { //进货while (product >= 1) {System.out.println("产品已满");try {this.wait();//满了就等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (++product));this.notifyAll();//没满就可以进货}public synchronized void sell() {//卖货while (product <= 0) {//为了避免虚假唤醒问题，wait方法应该总是在循环中使用System.out.println("缺货");try {this.wait();//缺货就等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (--product));this.notifyAll();//不缺货就可以卖}

只需要把if改成while，每次都再去判断一下，就可以了。

2、用Lock锁实现等待唤醒：

class Clerk {private int product = 0;//共享数据private Lock lock = new ReentrantLock();//创建锁对象private Condition condition = lock.newCondition();//获取condition实例public  void get() { //进货lock.lock();//上锁try {while (product >= 1) {System.out.println("产品已满");try {condition.await();//满了就等待} catch (InterruptedException e) {}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (++product));condition.signalAll();//没满就可以进货}finally {lock.unlock();//释放锁}}public  void sell() {//卖货lock.lock();//上锁try {while (product <= 0) {System.out.println("缺货");try {condition.await();//缺货就等待} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (--product));condition.signalAll();//不缺货就可以卖}finally {lock.unlock();//释放锁}}
}

使用lock同步锁，就不需要sychronized关键字了，需要创建lock对象和condition实例。condition的await()方法、signal()方法和signalAll()方法分别与wait()方法、notify()方法和notifyAll()方法对应。

3、线程按序交替：
首先来看一道题：

编写一个程序，开启 3 个线程，这三个线程的 ID 分别为 A、B、C，
每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印 10 遍，要求输出的结果必须按顺序显示。
如：ABCABCABC…… 依次递归

分析：

线程本来是抢占式进行的，要按序交替，所以必须实现线程通信，
那就要用到等待唤醒。可以使用同步方法，也可以用同步锁。

编码实现：

public class TestLoopPrint {public static void main(String[] args) {AlternationDemo ad = new AlternationDemo();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {ad.loopA();}}}, "A").start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {ad.loopB();}}}, "B").start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {ad.loopC();}}}, "C").start();}
}class AlternationDemo {private int number = 1;//当前正在执行的线程的标记private Lock lock = new ReentrantLock();Condition condition1 = lock.newCondition();Condition condition2 = lock.newCondition();Condition condition3 = lock.newCondition();public void loopA() {lock.lock();try {if (number != 1) { //判断condition1.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印number = 2;condition2.signal();} catch (Exception e) {} finally {lock.unlock();}}public void loopB() {lock.lock();try {if (number != 2) { //判断condition2.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印number = 3;condition3.signal();} catch (Exception e) {} finally {lock.unlock();}}public void loopC() {lock.lock();try {if (number != 3) { //判断condition3.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印number = 1;condition1.signal();} catch (Exception e) {} finally {lock.unlock();}}
}

以上编码就满足需求。创建三个线程，分别调用loopA、loopB和loopC方法，这三个线程使用condition进行通信。

八、ReadWriterLock读写锁

我们在读数据的时候，可以多个线程同时读，不会出现问题，但是写数据的时候，如果多个线程同时写数据，那么到底是写入哪个线程的数据呢？所以，如果有两个线程，写写/读写需要互斥，读读不需要互斥。这个时候可以用读写锁。看例子：

public class TestReadWriterLock {public static void main(String[] args){ReadWriterLockDemo rw = new ReadWriterLockDemo();new Thread(new Runnable() {//一个线程写@Overridepublic void run() {rw.set((int)Math.random()*101);}},"write:").start();for (int i = 0;i<100;i++){//100个线程读Runnable runnable = () -> rw.get();Thread thread = new Thread(runnable);thread.start();}}
}class ReadWriterLockDemo{private int number = 0;private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();//读(可以多个线程同时操作)public void get(){readWriteLock.readLock().lock();//上锁try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+number);}finally {readWriteLock.readLock().unlock();//释放锁}}//写(一次只能有一个线程操作)public void set(int number){readWriteLock.writeLock().lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName());this.number = number;}finally {readWriteLock.writeLock().unlock();}}
}

这个就是读写锁的用法。上面的代码实现了一个线程写，一百个线程同时读的操作。

九、线程池

我们使用线程时，需要new一个，用完了又要销毁，这样频繁的创建销毁也很耗资源，所以就提供了线程池。道理和连接池差不多，连接池是为了避免频繁的创建和释放连接，所以在连接池中就有一定数量的连接，要用时从连接池拿出，用完归还给连接池。线程池也一样。线程池中有一个线程队列，里面保存着所有等待状态的线程。下面来看一下用法：

public class TestThreadPool {public static void main(String[] args) {ThreadPoolDemo tp = new ThreadPoolDemo();//1.创建线程池ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);//2.为线程池中的线程分配任务pool.submit(tp);//3.关闭线程池pool.shutdown();}
}class ThreadPoolDemo implements Runnable {private int i = 0;@Overridepublic void run() {while (i < 100) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (i++));}}
}