JUC并发编程——JUC并发编程概述及Lock锁（重点）（基于狂神说的学习笔记）

基于bilibili狂神说JUC并发编程视频所做笔记

概述

什么是JUC

JUC时java.util工具包中的三个包的简称

java.util.concurrent

java.util.concurrent.atomic

java.util.concurrent.locks

业务：普通的线程代码中，我们常使用Runnable接口

但Runnable没有返回值，且效率相比较于Callable来说相对较低，功能也没有Callable强大

线程和进程

进程：相当于一个程序

一个进程当中往往可以包含多个线程，且至少包含一个线程

Java默认有2个线程：mian（主线程），GC（垃圾回收）

Java真的可以开启线程吗？

java是无法开启线程的，Java运行在JVM（虚拟机）之上，无法直接操作硬件，因此其实际上是无法开启线程的，在我们无论使用Runnable接口还是继承Thread，用start()方法开启线程，其本质上都是调用==private native void start0()==方法，而该方法是本地方法，是运行底层的C++

并发编程：

并发与并行：

并发：（多个线程同时操作一个核）

CPU一核，快速交替轮换，模拟多核

并行：（多个线程操作多个核）

CPU多核，可以多个线程同时执行；引入线程池的概念

查看自己CPU核数：

public class Test1 {public static void main(String[] args) {// 获取CPU的核数// COU 密集型，IO密集型System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors());}
}

并发编程的本质：充分利用CPU的资源

线程有几个状态

答： 6个，分别为：NEW,RUNNABLE,BLOCKED,WAITING,TIMED_WAITING,TERMINATED

public enum State{/*** Thread state for a thread which has not yet started.*/
NEW,/*** Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable* state is executing in the Java virtual machine but it may* be waiting for other resources from the operating system* such as processor.*/
RUNNABLE,/*** Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.* A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock* to enter a synchronized block/method or* reenter a synchronized block/method after calling* {@link Object#wait() Object.wait}.*/
BLOCKED,/*** Thread state for a waiting thread.* A thread is in the waiting state due to calling one of the* following methods:* <ul>*   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>*   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>*   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>* </ul>** <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to* perform a particular action.** For example, a thread that has called {@code Object.wait()}* on an object is waiting for another thread to call* {@code Object.notify()} or {@code Object.notifyAll()} on* that object. A thread that has called {@code Thread.join()}* is waiting for a specified thread to terminate.*/
WAITING,/*** Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.* A thread is in the timed waiting state due to calling one of* the following methods with a specified positive waiting time:* <ul>*   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>*   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>*   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>*   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>*   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>* </ul>*/
TIMED_WAITING,/*** Thread state for a terminated thread.* The thread has completed execution.*/
TERMINATED;
}

WAITING 与 TIMED_WAITING的区别为：

WAITING会一直等待唤醒，或其他线程，资源的响应

TIMED_WAITING为超时等待，一旦时间到，则不再等待

wait/sleep的区别

来自不同的类

wait 来自Object类

sleep来自Thread类

关于锁的释放

wait会释放锁

sleep不会释放锁，抱着锁睡觉

使用的范围是不同的

wait 必须在同步代码块中使用

sleep 可以在任何地方睡

是否需要捕获异常

wait不需要捕获异常

sleep必须要捕获异常

（但是，只要与线程有关的操作，都要捕获中断异常）

Lock锁（重点）

回顾synchronized

传统Synchronized

package syn;// OOP并发编程
public class SaleTicketDemo01 {public static void main(String[] args) {// 声明一个票对象，使3个线程可以调用买票方法Ticket ticket = new Ticket();// 使用lambda表达式，回顾：lambda表达式是一种极简的表达艺术，但仅用于函数式接口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();}
}// 高耦合，对象及为对象，不要附加多余功能，不要将其变成线程类
class Ticket{// 属性、方法private int ticketNums = 30;// synchronized 本质就是锁，队列public synchronized void sale(){if (ticketNums > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sales "+ticketNums--+",and remains"+ticketNums);}}
}

Lock锁实现线程安全示例

java.util.concurrent.locks下有三个接口

Condition
Lock
ReadWriteLock

Lock接口

在这里插入图片描述

实现类：

ReentranLock（可重入锁）
ReentrantReadWriteLock.ReadLock（读锁）
ReentrantReadWriteLock.WriteLock（写锁）

在ReentrantLock中，其构造函数：

在这里插入图片描述

公平锁：先到先得

非公平锁（默认）：可以插队，看CPU调度

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockDemo02 {public static void main(String[] args) {// 声明一个票对象，使3个线程可以调用买票方法Ticket ticket = new Ticket();// 使用lambda表达式，回顾：lambda表达式是一种极简的表达艺术，但仅用于函数式接口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();}
}// 高耦合，对象及为对象，不要附加多余功能，不要将其变成线程类
// 使用lock锁
/*
Lock三部曲
1、 new ReentrantLock()
2、 lock.lock()
3、 finally => lock.unlock()*/
class Ticket{// 属性、方法private int ticketNums = 30;Lock lock = new ReentrantLock();// synchronized 本质就是锁，队列public  void sale(){lock.lock();// 加锁try {//业务代码if (ticketNums > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sales "+ticketNums--+",and remains"+ticketNums);}} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);} finally {lock.unlock();// 解锁}}
}

Lock与synchronized的区别

1、synchronized内置的Java关键字；而Lock是一个Java类

2、synchronized无法判断获取锁的状态；Lock可以判断是否获取到了锁

3、synchronized会自动释放锁；Lock必须手动释放锁，如果不释放锁，则会造成死锁

4、synchronized线程1（获得锁），线程2（一直等待）； Lock锁时，线程2就不一定会等待下去

5、synchronized可重入锁，不可中断的，非公平锁（不可更改）；Lock，可重入锁，可以判断锁，默认非公平（可以修改）

6、synchronized适合锁少量的代码同步问题；Lock锁适合锁大量的同步代码

锁是什么，如何判断锁的是谁

看8锁现象！！！

生产者和消费者问题

生产者消费者问题 synchronized版

package PC;/*** 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题   等待唤醒  通知唤醒* 线程交替执行 A   B 操作同一个变量 num = 0* A num+1* B num-1*/
public class A {public static void main(String[] args) {Data data = new Data();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.increment();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"A").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.decrement();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"B").start();}
}// 口诀：等待，业务，通知
// 资源类
class Data{private int number = 0;// +1操作public synchronized void increment() throws InterruptedException {// 等待if (number != 0){this.wait();}// 业务number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// 通知其他线程，我加一完毕this.notifyAll();}// -1操作public synchronized void decrement() throws InterruptedException {// 等待if (number == 0){this.wait();}// 业务number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// 通知其他线程，我减一完毕this.notifyAll();}
}

这真的线程安全吗？如果有四个线程同时跑呢？

答：不安全，当四个线程在跑时，则会出现意料之外的情况

在这里插入图片描述

为什么会产生这种情况？

答：造成这种现象的原因是虚假唤醒

什么是虚假唤醒？

多线程环境下，有多个线程执行了wait()方法，需要其他线程执行notify()或者notifyAll()方法去唤醒它们，假如多个线程都被唤醒了，但是只有其中一部分是有用的唤醒操作，其余的唤醒都是无用功；对于不应该被唤醒的线程而言，便是虚假唤醒。
比如：仓库有货了才能出库，突然仓库入库了一个货品；这时所有的线程（货车）都被唤醒，来执行出库操作；实际上只有一个线程（货车）能执行出库操作，其他线程都是虚假唤醒。
参考博客：Java线程虚假唤醒是什么、如何避免？_java 虚假唤醒_秃秃爱健身的博客-CSDN博客

很重要：以下是个人感悟！

其实当初笔者在此处还是很困惑的，为什么虚假唤醒会造成线程同时运行而不顾if条件语句，后来笔者意识到一个很重要的问题：“wait()方法会使线程放弃锁”。也就是说，当A线程拿到了同步锁之后，进入if条件语句判断，如果此时条件为true，它会进入waiting状态并放弃同步锁，因此，C线程在这段时间有可能会乘虚而入，抢在B线程或D线程将A线程唤醒前进入同步代码块，同样进入if语句的waiting状态，之后，B线程或D线程完成其业务逻辑后，执行notifyAll()方法，就会将A线程与C线程同时唤醒，然后两者都会执行业务逻辑，导致一次减，两次加，与我们的预期（我们的逻辑是加一次，减一次）不符。因此线程不安全。

以上解释只是个人猜想，还未曾验证过，比如将wait换成sleep，抱着线程休眠是否会出现同样的问题

如何避免虚假唤醒？

将if条件语句改为while循环语句

当使用if条件语句时，如果线程在if条件语句中被wait中断退出，当其重新进入回到它原本所在的位置后就会发现，它已经进行过判断了，接下来，就算已经有线程抢先一步操作，它也会义无反顾地往下走，因为没有条件能够拦住它啦！

而当我们使用while循环语句会发现：（以下是官方文档所给的推荐代码）

synchronized (obj) { while (<condition does not hold> and <timeout not exceeded>) {  long timeoutMillis = ... ; // recompute timeout values int nanos = ... ; obj.wait(timeoutMillis, nanos); } ... // Perform action appropriate to condition or timeout 
}

如果线程在while循环中被wait中断退出，当其重新进入回到它原本所在的位置后就会发现，本次循环已经结束，**接下来并不是执行后面的业务代码，而是返回到while循环开头，重新判断一次是否满足条件。**这样的操作就保证了即使在退出重进，也会进行再一次的判断确保线程安全。

以下为示例中被修改的代码片段：

public synchronized void increment() throws InterruptedException {// 等待// ***************** 此处的if被改为while **********************while (number != 0){this.wait();}// 业务number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// 通知其他线程，我加一完毕this.notifyAll();
}// -1操作
public synchronized void decrement() throws InterruptedException {// 等待// ***************** 此处的if被改为while **********************while (number == 0){this.wait();}// 业务number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// 通知其他线程，我减一完毕this.notifyAll();
}

生产者消费者问题 JUC版

对应于synchronized，JUC版本下，Lock锁也有对应的唤醒与停止方法，分别是condition接口下的signal()与await()

以下是官方文档的描述：

在这里插入图片描述

示例代码如下：

package PC;import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class B {public static void main(String[] args) {Data2 data = new Data2();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.increment();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"A").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.decrement();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"B").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.increment();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"C").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 10; i++) {try {data.decrement();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}},"D").start();}
}// 口诀：等待，业务，通知
// 资源类
class Data2{private int number = 0;Lock lock = new ReentrantLock();// +1操作public void increment() throws InterruptedException {Condition condition = lock.newCondition();/*** condition.await(); 等待* condition.signalAll(); 唤醒全部*/try {lock.lock();// =============== 业务代码 ==================// 等待while (number != 0){condition.await();}// 业务number++;// 通知其他线程，我加一完毕System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// ===========================================} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}finally{lock.unlock();}}// -1操作public void decrement() throws InterruptedException {Condition condition = lock.newCondition();try {lock.lock();// =============== 业务代码 ==================// 等待while (number == 0){}// 业务number--;// 通知其他线程，我减一完毕System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);// ===========================================} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);  } finally {lock.unlock();}}
}

Condition 的优势在哪里

可以实现精准的通知和唤醒线程

以下示例实现精准唤醒线程，在A线程执行完后精准唤醒B线程执行，B线程执行完后精准唤醒C线程执行，C线程执行完后精准唤醒A线程执行

package PC;import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** A 执行完调用 B，B 执行完调用 C，C 执行调用 A*/
public class C {public static void main(String[] args) {// new 资源类Data3 data = new Data3();// 创建线程并执行线程new Thread(()->{for (int i = 0; i < 5; i++) data.printA();},"A").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 5; i++) data.printB();},"B").start();new Thread(()->{for (int i = 0; i < 5; i++) data.printC();},"C").start();}
}//资源类
class Data3{private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition conditionA = lock.newCondition();private Condition conditionB = lock.newCondition();private Condition conditionC = lock.newCondition();private int number = 1; // 若number=1则A执行，若number=2则B执行，若number=3则C执行public void printA(){lock.lock();try {// 业务， 判断->执行->通知while(number != 1){conditionA.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" now is AAAAA time!");// 唤醒指定的线程Bnumber ++;conditionB.signal();} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);} finally {lock.unlock();}}public void printB(){lock.lock();try {while(number != 2){conditionB.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"now is BBBBB time!");// 唤醒指定线程Cnumber++;conditionC.signal();} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);} finally {lock.unlock();}}public void printC(){lock.lock();try {while(number != 3){conditionC.await();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"now is CCCCC time!");number = 1;conditionA.signal();} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);} finally {lock.unlock();}}}