javaEE -5（8000字详解多线程）

一：JUC(java.util.concurrent) 的常见类

1.1 ReentrantLock

可重入互斥锁. 和 synchronized 定位类似, 都是用来实现互斥效果, 保证线程安全，ReentrantLock 也是可重入锁. “Reentrant” 这个单词的原意就是 “可重入”

ReentrantLock 的用法：

lock() 方法：
- void lock()：如果锁可用，获取锁。如果锁不可用，当前线程会被阻塞，直到获取到锁为止。这是一个典型的阻塞式调用。
tryLock() 方法：
- boolean tryLock()：尝试获取锁。如果锁可用，立即获取锁，并返回 true。如果锁不可用，立即返回 false，而不会等待。
- boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁，如果在指定的超时时间内获取到锁，则返回 true，否则返回 false。
unlock() 方法：
- void unlock()：释放锁，允许其他线程尝试获取锁。在使用完锁之后，必须显式地调用此方法进行解锁，否则会导致死锁。

下面是一个使用 ReentrantLock 的简单示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class MyThread implements Runnable {private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();@Overridepublic void run() {try {lock.lock(); // 加锁// 临界区代码} finally {lock.unlock(); // 解锁}}
}public class Main {public static void main(String[] args) {MyThread myThread = new MyThread();Thread thread1 = new Thread(myThread);Thread thread2 = new Thread(myThread);thread1.start();thread2.start();}
}

ReentrantLock 和 synchronized 的区别:

synchronized 是一个关键字, 是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现). ReentrantLock是标准库的一个类, 在 JVM 外实现的(基于 Java 实现).
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.
synchronized 在申请锁失败时, 会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.
synchronized 是非公平锁, ReentrantLock 默认是非公平锁. 可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.

// ReentrantLock 的构造方法
public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

更强大的唤醒机制. synchronized 是通过 Object 的 wait / notify 实现等待-唤醒.每次唤醒的是一个随机等待的线程.ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒,可以更精确控制唤醒某个指定的线程.

如何选择使用哪个锁?

锁竞争不激烈的时候, 使用 synchronized, 效率更高, 自动释放更方便.
锁竞争激烈的时候, 使用 ReentrantLock, 搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为, 而不是死等.
如果需要使用公平锁, 使用 ReentrantLock.

1.2 原子类

原子类内部用的是 CAS 实现，所以性能要比加锁实现 i++ 高很多。原子类有以下几个

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicIntegerArray
AtomicLong
AtomicReference
AtomicStampedReference

以 AtomicInteger 举例，常见方法有

addAndGet(int delta);  i += delta;
decrementAndGet(); --i;
getAndDecrement(); i--;
incrementAndGet(); ++i;
getAndIncrement(); i++;

二：线程池

虽然创建销毁线程比创建销毁进程更轻量, 但是在频繁创建销毁线程的时候还是会比较低效.

线程池就是为了解决这个问题. 如果某个线程不再使用了, 并不是真正把线程释放, 而是放到一个 "池子"中, 下次如果需要用到线程就直接从池子中取, 不必通过系统来创建了.

2.1 ExecutorService 和 Executors

代码示例:

ExecutorService 表示一个线程池实例.
Executors 是一个工厂类, 能够创建出几种不同风格的线程池.
ExecutorService 的 submit 方法能够向线程池中提交若干个任务.

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}
});

Executors 创建线程池的几种方式

newFixedThreadPool: 创建固定线程数的线程池
newCachedThreadPool: 创建线程数目动态增长的线程池.
newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池.
newScheduledThreadPool: 设定延迟时间后执行命令，或者定期执行命令. 是进阶版的 Timer.

我们之前提到过：Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装，那么什么是ThreadPoolExecutor呢？

2.2 ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 提供了更多的可选参数, 可以进一步细化线程池行为的设定.

ThreadPoolExecutor是Java中用于创建和管理线程池的类。它提供了多个不同的构造方法来满足不同的需求。下面是ThreadPoolExecutor常用的四个构造方法的讲解：

ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue)：
该构造方法指定了核心线程池大小(corePoolSize)、最大线程池大小(maximumPoolSize)、线程的空闲时间(keepAliveTime)以及这些参数的单位(unit)，还有一个用于保存等待执行任务的阻塞队列(workQueue)。当一个任务提交到线程池时，如果线程池中的线程数量小于corePoolSize，则会创建一个新的线程来执行任务。如果线程池中的线程数量已经达到corePoolSize，但是阻塞队列(workQueue)还未满，则将任务添加到阻塞队列中等待执行。如果阻塞队列已满，且线程池中的线程数小于maximumPoolSize，则创建新的线程来执行任务。如果线程池中的线程数已达到maximumPoolSize且阻塞队列也已满，则根据ThreadPoolExecutor的拒绝策略来处理该任务。
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory)：
该构造方法与前一个构造方法相同，不过多了一个参数threadFactory，用于自定义创建线程的工厂类。可以通过自定义线程工厂来为线程池中的线程指定名称、设置线程的优先级等。
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, RejectedExecutionHandler handler)：
该构造方法与第一个构造方法相同，不过多了一个参数handler，用于处理任务被拒绝后的策略。RejectedExecutionHandler是一个接口，有四种预定义的实现：AbortPolicy（默认策略，直接抛出RejectedExecutionException异常）、CallerRunsPolicy（使用调用线程来执行被拒绝的任务）、DiscardOldestPolicy（丢弃阻塞队列中最旧的任务）、DiscardPolicy（直接丢弃被拒绝的任务）。
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)：
该构造方法将前面三个构造方法的参数都包含进来，并多了一个threadFactory和handler参数。

理解 ThreadPoolExecutor 构造方法的参数
把创建一个线程池想象成开个公司. 每个员工相当于一个线程.

corePoolSize: 正式员工的数量. (正式员工, 一旦录用, 永不辞退)
maximumPoolSize: 正式员工 + 临时工的数目. (临时工: 一段时间不干活, 就被辞退).
keepAliveTime: 临时工允许的空闲时间.
unit: keepaliveTime 的时间单位, 是秒, 分钟, 还是其他值.
workQueue: 传递任务的阻塞队列
threadFactory: 创建线程的工厂, 参与具体的创建线程工作.
RejectedExecutionHandler: 拒绝策略, 如果任务量超出公司的负荷了接下来怎么处理.
AbortPolicy(): 超过负荷, 直接抛出异常.
CallerRunsPolicy(): 调用者负责处理
DiscardOldestPolicy(): 丢弃队列中最老的任务.
DiscardPolicy(): 丢弃新来的任务.

代码示例:

ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>(),Executors.defaultThreadFactory(),newThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
for(int i=0;i<3;i++) {pool.submit(new Runnable() {@Overridevoid run() {System.out.println("hello");}});
}

2.3线程池的工作流程

在这里插入图片描述

2.4 信号量 Semaphore

信号量, 用来表示 “可用资源的个数”. 本质上就是一个计数器.

理解信号量：
可以把信号量想象成是停车场的展示牌: 当前有车位 100 个. 表示有 100 个可用资源.

当有车开进去的时候, 就相当于申请一个可用资源, 可用车位就 -1 (这个称为信号量的 P 操作)

当有车开出来的时候, 就相当于释放一个可用资源, 可用车位就 +1 (这个称为信号量的 V 操作)

如果计数器的值已经为 0 了, 还尝试申请资源, 就会阻塞等待, 直到有其他线程释放资源.

注意：Semaphore 的 PV 操作中的加减计数器操作都是原子的, 可以在多线程环境下直接使用.

代码示例：

创建 Semaphore 示例, 初始化为 4, 表示有 4 个可用资源.
acquire 方法表示申请资源(P操作), release 方法表示释放资源(V操作)
创建 20 个线程, 每个线程都尝试申请资源, sleep 1秒之后, 释放资源. 观察程序的执行效果.

Semaphore semaphore = new Semaphore(4);
Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {System.out.println("申请资源");semaphore.acquire();System.out.println("我获取到资源了");Thread.sleep(1000);System.out.println("我释放资源了");semaphore.release();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
};
for (int i = 0; i < 20; i++) {Thread t = new Thread(runnable);t.start();
}

2.5 CountDownLatch

就好像跑步比赛，10个选手依次就位，哨声响才同时出发；所有选手都通过终点，才能公布成绩。

构造 CountDownLatch 实例, 初始化 10 表示有 10 个任务需要完成.
每个任务执行完毕, 都调用 latch.countDown() . 在 CountDownLatch 内部的计数器同时自减.
主线程中使用 latch.await(); 阻塞等待所有任务执行完毕. 相当于计数器为 0 了.

public class Demo {public static void main(String[] args) throws Exception {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);Runnable r = new Runable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(Math.random() * 10000);latch.countDown();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}};for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(r).start();}// 必须等到 10 人全部回来latch.await();System.out.println("比赛结束");}
}

三：线程安全的集合类

原来的集合类, 大部分都不是线程安全的（Vector, Stack, HashTable, 是线程安全的其他的集合类不是线程安全的）

3.1多线程环境使用 ArrayList

自己使用同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock)
前面做过很多相关的讨论了. 此处不再展开.
Collections.synchronizedList(new ArrayList);
synchronizedList 是标准库提供的一个基于 synchronized 进行线程同步的 List.
synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized
使用 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。

当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行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。

这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

优点:

在读多写少的场景下, 性能很高, 不需要加锁竞争.

缺点:

占用内存较多.
新写的数据不能被第一时间读取到.

3.2 多线程环境使用队列

ArrayBlockingQueue
基于数组实现的阻塞队列
LinkedBlockingQueue
基于链表实现的阻塞队列
PriorityBlockingQueue
基于堆实现的带优先级的阻塞队列
TransferQueue
最多只包含一个元素的阻塞队列

3.3 多线程环境使用哈希表

HashMap 本身不是线程安全的，在多线程环境下使用哈希表可以使用:

Hashtable
ConcurrentHashMap

Hashtable
只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字.

这相当于直接针对 Hashtable 对象本身加锁.

如果多线程访问同一个 Hashtable 就会直接造成锁冲突.
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.

在这里插入图片描述
2) ConcurrentHashMap
相比于 Hashtable 做出了一系列的改进和优化. 以 Java1.8 为例

读操作没有加锁(但是使用了 volatile 保证从内存读取结果), 只对写操作进行加锁. 加锁的方式仍然是是用
synchronized, 但是不是锁整个对象, 而是 “锁桶” (用每个链表的头结点作为锁对象), 大大降低了锁冲突的概率.
充分利用 CAS 特性. 比如 size 属性通过 CAS 来更新. 避免出现重量级锁的情况.
优化了扩容方式: 化整为零

扩容方式为：