JUC并发编程大礼包

JUC并发编程大礼包

JUC：就是 java.util .concurrent 工具包的简称，这是一个处理线程的工具包

线程的状态

可观察：Thread.State枚举类

  • NEW (新建)

  • RUNNABLE （准备就绪）

  • BLOCKED （阻塞）

  • WAITING （一直等待）

  • TIMED_WAITING （等待一定时间）

  • TERMINATED （终结）

wait和sleep的区别

  • sleep 是 Thread 的静态方法、wait 是 Object 的方法，任何对象实例都能调用

  • sleep 不会释放锁、wait 会释放锁，但调用它的前提是当前线程占有锁(即代码要在 synchronized 中)

  • 它们都可以被 interrupted 方法中断

并发与并行

  • 串行

    • 表示所有任务都一一按先后顺序进行

    • 准备调料 - 切菜 - 热油 - 下菜 - 调味 - 洗盘子 - 装盘

  • 并行

    • 并行的效率从代码层次上强依赖于多进程/多线程代码，从硬件角度上则依赖于多核 CPU

    • 准备调料 - 切菜同时热油 - 下菜时可洗盘子 - 调味 - 装盘

  • 并发

    • 同一时刻多个线程在访问同一个资源，多个线程对一个点

管程（monitor）

管程(monitor)是保证了同一时刻只有一个进程在管程内活动,即管程内定义的操作在同一时刻只被一个进程调用(由编译器实现).但是这样并不能保证进程以设计的顺序执行

JVM 中同步（锁）是基于进入和退出管程(monitor)对象实现的，每个对象都会有一个管程(monitor)对象，管程(monitor)会随着 java 对象一同创建和销毁执行线程首先要持有管程对象，然后才能执行方法，当方法完成之后会释放管程，方法在执行时候会持有管程，其他线程无法再获取同一个管程

用户线程与守护线程

用户线程：平时用到的普通线程,自定义线程

守护线程：运行在后台,是一种特殊的线程,比如垃圾回收

  • 当主线程结束后,用户线程还在运行,JVM 存活

  • 如果没有用户线程,都是守护线程,JVM 结束

Lock接口

Synchronized

synchronized 是 Java 中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

  1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象

  2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象

  3. 修饰一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象

  4. 修饰一个类，其作用的范围是 synchronized 后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象

  • 虽然可以使用 synchronized 来定义方法，但 synchronized 并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized 关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了 synchronized 关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized 关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了

伪代码售票案列

  • 上面得Ticket类得sale方法是被synchronized修饰得一个方法，当一个线程获得锁在执行业务得时候，其他线程便只能一直等待，直到当前获得锁得线程释放锁，当前获得锁得线程会有两个情况都会释放锁

    1. 执行完了该代码块 ， 放弃对锁得赞占有

    2. 线程执行过程中发生了异常，JVM会让线程释放锁

Lock接口说明

Lock 提供了比 synchronized 更多的功能，Lock是一个接口，主要的方法包含：

newCondition()方法简单说明

  • synchronized 使用 wait() / notify() 这两个方法一起使用可以实现等待/通知模式

  • Lock 锁的 newContition()方法返回 Condition 对象，Condition 类使用await() / signal() 可以实现等待/通知模式

    • await()：会使当前线程等待,同时会释放锁,当其他线程调用 signal()时,线程会重新获得锁并继续执行

    • signal()：用于唤醒一个等待的线程

  • 注意：在调用 Condition 的 await()/signal()方法前，也需要线程持有相关的 Lock 锁，调用 await()后线程会释放这个锁，在 singal()调用后会从当前Condition 对象的等待队列中，唤醒 一个线程，唤醒的线程尝试获得锁， 一旦获得锁成功就继续执行

ReentrantLock

API手册中时这样描述这个类的：

  • 一个可重入互斥Lock具有与使用synchronized方法和语句访问的隐式监视锁相同的基本行为和语义，但具有扩展功能

下面我们来简单使用一下

ReentrantReadWriteLock

顾名思义：读写锁，该接口只有两个方法，readLock() 、 writeLock

  • 熟悉MySQL的朋友都知道，InnoDB储存引擎下的锁就有这个概念【独占锁、共享锁】

  • 在这里也是一样，读锁是一个共享锁 ， 写锁是一个排他锁，下面我们用代码简单示范一下

 

 

这里再提一下注释事项：

  • 已有线程占有读锁，再来线程获取写锁得处于等待状态，等待读锁释放

    • 在该线程持有读锁的情况下，该线程不能继续获取写锁

  • 已有线程占有写锁，再来线程获取读锁或者写锁都得处于等待状态，等待写锁释放

    • 在该线程持有写锁的情况下，该线程可以继续获取读锁，只有写锁不是当前线程持有的情况下再次获取读锁才会失败

  • public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {}上面我们使用到了无参构造，他还有一个有参构造

    • 传入参数位布尔，代表是否获取公平锁，默认为false，我们可以看其无参构造中调用this(false);得到验证

    • 吞吐量优先的情况下，非公平锁的性能优于公平锁

 

Lock和synchronized 的区别

  • synchronized 是 Java 语言的关键字，Lock 是一个接口，不是 Java 语言内置的，属于API级别

  • synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生，而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁

  • Lock 可以使用tryLock(long timeout, TimeUnit unit)让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断

  • Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率

线程间通信

线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递

场景：两个线程，一个线程负责对某个数字 + 1， 另一个线程负责 - 1 ， 两个线程交替执行

Lock实现方式

synchronized实现方式

在上面的实现中，还有一个隐藏的问题存在就是：虚假唤醒

  • 我们再加一下线程来看看，t1、t3负责加 ， t2、t4负责减

结果出现了一个2，是什么情况呢？

  • 虚假唤醒造成的原因就是：线程在哪里睡下，就会在哪里醒来，醒来继续往下执行代码，逃过了if()的判断

  • 因此不建议使用if (number == 0) 这种语句，而是应该使用 while (number == 0)这种循环语句

集合的线程安全问题

ArrayList线程安全问题

List的并发修改异常：java.util.ConcurrentModificationException

  • 造成这个异常出现的原因就是当一个线程在修改这个集合的时候，另一个线程也在修改这个集合，并修改了该集合的容量大小，就会抛出这一异常

因为add()没有加任何的锁，导致容器大小在并发时被随意修改，导致异常抛出

第一种解决方式：List<Object> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); (不推荐)

  • Vector的add()时加了synchronized同步锁的，不会出现并发修改问题

第二章解决方法：List<Object> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());（不推荐）

可以发现也是加了同步锁的

第三种解决方法：List list = new CopyOnWriteArrayList(); （推荐）

  • CopyOnWriteArrayList 相当于线程安全的ArrayList，和 ArrayList 一样，它是个可变数组；

  • 动态数组机制

    • 它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile 数组”, 这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因

    • 由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList 效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高

  • 线程安全机制

    • 通过 volatile 和互斥锁来实现的。

    • 通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证

    • 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组”中，然后再“释放互斥锁”，就达到了保护数据的目的

HashSet线程安全问题

和ArrayList一样，并发修改也会抛出异常，大家都知道HashSet的底层就是HashMap，使用HashMap的key进行储存数据，无需且不允许重复

解决方案：CopyOnWriteArraySet

HashMap的线程安全问题

解决方案：ConcurrentHashMap

多线程锁

synchronized 实现同步的基础：Java 中的每一个对象都可以作为锁。

  • 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。

    • 所以同一个类中有多个同步方法，但实列对象只有一个，锁竞争，同一时刻，只能有一个线程执行同步方法

    • 同步方法和非同步方法不互斥

  • 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象

    • 所以一个类的静态同步方法和非静态同步方法不互斥，锁对象不同

    • 但是两个静态同步方法会发生互斥现象，锁相同造成锁竞争

  • 对于同步方法块，锁是 Synchonized 括号里配置的对象

Callable & Future接口

创建线程的4种方式中，继承Thread 、实现Runnable接口均无法获取子进程的运算接口，且也无法控制服务器性能损耗，

现在我们开始讲解第三种创建线程的方式，该方式可以获取子线程的运算结果和捕获期间发生的异常

  • 查看构造方法，得到入参为Callable

  • 发现是一个函数式接口

  • 直接开始上活

FutureTask方法一览

一般FutureTask多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后再去获取结果

JUC三大辅助类

JUC 中提供了三种常用的辅助类，通过这些辅助类可以很好的解决线程数量过多时 Lock 锁的频繁操作。这三种辅助类为：

CountDownLatch: 减少计数

  • 类似于Redis的闭锁： Redis 闭锁

  • CountDownLatch实现

CyclicBarrier: 循环栅栏

这个还没想到有什么应用场景，那我们还是以上面6个学生离开学才能关门来掩饰一下他的功能

Semaphore: 信号灯

  • 和Redis的信号量一致

  • Semaphore代码实现

总结一下

  • CountDownLatch一般用于某个线程A等待若干个其他线程执行完任务之后，它才继续往下执行，会阻塞A线程

  • CyclicBarrier一般用于在执行一组线程互相等待至某个状态，然后类似于回调一个方法 ， 不会阻塞主线程

  • Semaphore其实和锁有点类似，它一般用于控制对某组资源的访问权限

阻塞队列BlockingQueue

常见核心方法

其他就不做介绍了，因为现在流行的消息中间件真的太多了

ThreadPool

线程池的种类

1：newCachedThreadPool

作用：创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程

特点：

  • 线程池中数量没有固定，可达到最大值（Interger. MAX_VALUE）

  • 线程池中的线程可进行缓存重复利用和回收（回收默认时间为 1 分钟）

  • 当线程池中，没有可用线程，会重新创建一个线程

创建方式：ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

适用场景： 适用于创建一个可无限扩大的线程池，服务器负载压力较轻，执行时间较短，任务多的场景

2：newFixedThreadPool

作用：创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程

特点：

  • 线程池中的线程处于一定的量，可以很好的控制线程的并发量

  • 线程可以重复被使用，在显示关闭之前，都将一直存在

  • 超出一定量的线程被提交时候需在队列中等待

创建方式：ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(n);

适用场景： 适用于可以预测线程数量的业务中，或者服务器负载较重，对线程数有严格限制的场景

3： newSingleThreadExecutor

作用： 线程池中最多执行 1 个线程，以无界队列方式来运行该线程

创建方式：ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor()

适用场景： 适用于需要保证顺序执行各个任务，并且在任意时间点，不会同时有多个线程的场景

4：newScheduleThreadPool （了解即可）

作用：线程池支持定时以及周期性执行任务，创建一个 corePoolSize 为传入参数，最大线程数为整形的最大数的线程池

特点：

  • 线程池中具有指定数量的线程，即便是空线程也将保留

  • 可定时或者延迟执行线程活动

创建方式：ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(n);

适用场景： 适用于需要多个后台线程执行周期任务的场景

5：newWorkStealingPool（jdk1.8引入）

作用：创建一个拥有多个任务队列的线程池，可以减少连接数，创建当前可用 cpu 核数的线程来并行执行任务

创建方式：ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newWorkStealingPool();

适用场景： 适用于大耗时，可并行执行的场景

6：自定义线程池

创建方式：

特点：降低资源的消耗、提高响应速度、提高线程的可管理性

线程池底层工作原理

  1. 线程池创建，准备好core数量的核心线程，准备接受任务

  2. core满了，就将再进来的任务放入阻塞队列中。空闲的core就会自己去阻塞队列获取任务

  3. 阻塞队列满了，就直接开新线程执行，最大只能开到max指定的数量

  4. max满了就用 RejectedExecutionHandler handler 拒绝任务

  5. max都执行完成，有很多空闲，在指定的时间 keepAliveTime 以后，释放 max - core 这些线程

  6. new LinkedBlockingDeque<>()：默认是 Integer 的最大值。会导致内存占满，需要根据自己的业务定

注意事项

上面我们说到了好几个创建线程池的方式方法，但是我们工作一般都是使用自定义的方式创建线程池

  • 线程池使用的队列为Inteer.max_value，会导致OOM

  • 阿里巴巴Java开发手册有相关规定，不允许使用Executors区创建线程池

CompletableFuture异步编排

可以使得我们的任务单独运行在与主线程分离的其他线程中，并且通过回调可以在主线程中得到异步任务的执行状态，是否完成，和是否异常等信息

Future和CompletionStage

CompletableFuture实现了两个接口：CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T>

Future

  • 先说Future，前面我们爷简单的了解过，下面我们再来串一下

  • 继承Thread或者实现Runnable接口，根本不值得信任，在这里不在赘述

  • Future + Callable,能获取返回值,但获取异步响应会阻塞主线程

CompletionStage

  • 代表异步计算过程中的某一个阶段，一个阶段完成以后可能会触发另外一个阶段

  • 一个阶段的执行可能是被单个阶段的完成触发，也可能是由多个阶段一起触发

  • CompletionStage的接口方法的返回值一般都是新的CompletionStage ， 以便于链式调用

CompletableFuture

  • 实现了上面两个接口，通过整合扩展，提供的功能就是异步编排大杀器

提交任务：runAsync / supplyAsync

有无返回值的异步任务

转换结果：thenApply

顾名思义：然后应用

什么意思呢？就是把上一个线程的结果应用于下一个线程的计算，并产生新的CompletableFuture

  • 首先我们来看看 thenApply ()

    • 初始化People的任务是由12 号线程完成的

    • 转换People的任务是由主线程完成的

    • 主线程是在转换任务结束后才结束的

    • 所以，这个同步thenApply()方法，是与主线程保持串行同步执行

  • 然后再来看看thenApplyAsync(result)

    • 初始化People的任务是由12 号线程完成的

    • 转换People的任务也是由12号线程完成的，12号线程来源于自带的 ForkJoinPool.commonPool

    • 主线程无阻塞直接结束

    • 所以，这个同步thenApplyAsync( r )方法，是与主线程异步执行

  • 最后再来看看thenApplyAsync(result , pool)

    • 初始化People的任务是由12 号线程完成的

    • 转换People的任务也是由13 号线程完成的，13号线程来源于我们自定义的 new FixedThreadPool(3)线程池

    • 主线程无阻塞直接结束

    • 所以，这个同步thenApplyAsync( r ，pool)方法，是与主线程异步执行

消费结果：thenAccept

  • 同步异步大致上和thenApply()的使用都是一样的，其他的区别主要在于

    • 回调函数没有返回值

任务完成后触发的回调：thenRun

  • 同步异步大致上和thenApply()的使用都是一样的，其他的区别主要在于

    • 没有入参，也没有返回值

异常监控：handle / exceptionally / whenComplete

handle（result , e）：不会外抛异常，可返回结果，无论如何都会执行

  • 当然也支持同步/异步、默认/指定线程池执行哦

  • 和thenApply的区别在于：是否监管异常，thenApply遇到异常会抛出，他会将异常吃掉

exceptionally(e) ：不会外抛异常，可返回结果，只有发生异常时才会执行

  • 只能主线程执行，无异步版本（12版本好像有了，之前的无）

whenComplete（result , e）：会外抛异常，没有返回值，无论如何都会执行

  • 支持同步/异步、默认/指定线程池执行

and关系：thenCombine / thenAcceptBoth / runAfterBoth

  • 将两个CompletableFuture组合起来，只有这两个都正常执行完了才会执行某个任务

thenCombine

  • thenCombine会将两个任务的执行结果作为方法入参传递到指定方法中，且该方法有返回值

thenAcceptBoth

  • thenAcceptBoth同样将两个任务的执行结果作为方法入参，但是无返回值

runAfterBoth

  • runAfterBoth没有入参，也没有返回值

or关系：applyToEither / acceptEither / runAfterEither

  • 将两个CompletableFuture组合起来，只要有一个正常执行完了才会执行某个任务

applyToEither

  • applyToEither会将已经执行完成的任务的执行结果作为方法入参，并有返回值

acceptEither

  • acceptEither同样将已经执行完成的任务的执行结果作为方法入参，但是没有返回值

runAfterEither

  • runAfterEither没有方法入参，也没有返回值

allOf / anyOf

allOf

  • 所有任务执行完才执行

anyOf

  • 任一任务执行完就执行

 

 

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posted @ 2022-04-13 00:00  鞋破露脚尖儿  阅读(83)  评论(0)  编辑  收藏  举报