第五章 同步容器及工具

5.1 同步容器类

　　实现方式 : 将他们的状态封装起来,并对每个公有方法都进行同步, 使得每次只有一个线程可以访问. 

5.1.1 存在的问题

　　复合操作 并非线程安全. 比如 迭代, 条件运算等.

　　在对同步容器类的复合操作加锁时一定要以容器对象为锁对象, 保证复合操作的锁对象和容器使用的锁对象一致.才能实现一个线程安全的复合操作

 public static void getLast(Vector<?> list) {
        // 此处的锁对象必须和 Vector 内部的锁对象一致
        synchronized (list) {
            int lastIndex = list.size()-1;
            list.remove(lastIndex);
        }
    }

 

5.1.2 迭代器与ConcurrentModificationException

　　在容器的迭代过程中被修改(结构上被改变)时会抛出  ConcurrentModificationException

　　解决方法 : 在迭代过程中持有容器的锁. 并在所有对共享容器进行迭代的地方加锁

5.1.3 隐藏迭代器

　　以下操作也会间接的进行容器的迭代操作

　　toString() , hashCode() , equals() 等很多方法都出触发容器的迭代操作. 

5.2 并发容器

5.2.1 ConcurrentHashMap

• 　　加锁策略 : 分段锁(粒度更细的加锁机制), 同步方法块
• 　　支持多个线程并发的访问  ConcurrentHashMap , 实现更高的吞吐量 .  
• 　　ConcurrentHashMap 返回的迭代器具有弱一致性 , 可以(但是不保证)将修改操作立即反映给容器
• 　　迭代过程中不会加锁 , 也不会抛出 ConcurrentModificationException , 
• 　　将一些复合操作(putIfAbsent() 若没有则添加) 实现为原子操作

5.2.3 CopyOnWriteArrayList

• 每次修改容器时先复制数组, 引用依旧指向原来的数组 , 然后修改新的数组, 最后将引用指向新的数组.
• 写入时复制 也可理解为 修改时复制
• 返回的迭代器不会抛出  ConcurrentModificationException 
• 使用场景 : 迭代操作远远多于修改操作. 复制数组的操作有一定的开销.
• 修改操作使用 ReentrantLock 进行加锁

5.3 阻塞队列

• 提供阻塞的 put 和 take 方法
• put 方法将阻塞到直到有空间可用 , take 方法将阻塞到直到有元素可用
• 队列可以有界, 也可以无界
• 修改容器时统一使用创建队列实例时创建的 ReentrantLock 对象

　　BlockingQueue(阻塞队列接口)

　　　　LinkedBlockingQueue 类似与 LinkedList

　　　　ArrayBlockingQueue 类似与 ArrayList

　　　　PriorityBlockingQueue   按优先级排序的队列

　　　　SynchronousQueue 每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作 ，反之亦然。非常适合做交换工作，生产者的线程和消费者的线程同步以传递某些信息、事件或者任务。

 5.3.1 生产者与消费者的特点

• 生产者和消费者只需要完成各自的任务
• 阻塞队列将负责所有的控制流
• 每个功能的代码和逻辑更加清楚
• 他们整体的并行度取决于两者中较低的并行度

　　生产者和消费者设计也可以使用 Executor 任务执行框架来实现, 其本身也使用 生产者--消费者模式

5.3.2 串行线程封闭　

• 线程封闭对象只能由单个对象拥有,可以通过安全的发该对象来转移所有权.并且发布对象的线程不会再访问它
• 转移所有权之后,只有另外一个线程获得这个对象的访问权限, 它可以对它做任意的修改,因为它有独占访问权.

5.3.3 双端队列和工作密取

　　双端队列

• ArrayDeque 和 LinkedBlockingDeque
• 实现在队列头和队列尾的高效插入和移除.

　　工作密取

• 每个消费者有自己的双端队列 , 当一个消费者完成自己队列的所有任务后 , 那么它可以从其他消费者的双端队列秘密的获取任务 .

5.4 阻塞方法和中断方法

　　处理 InterruptedException 

• 将 InterruptedException  传递给方法的调用者
• 捕获这个异常, 并恢复中断状态

5.5 同步工具类

5.5.1 闭锁(CountDownLatch)

　　作用 : 用来确保某些活动直到其他活动都完成后才执行.

• 计数器 : 表示需要等待的事件数量
• await() : 阻塞调用此方法的线程直到计数器为0
• countDown() : 计数器递减

用法一 : 创建一定数量的线程,多个线程并发的执行任务

• 使用两个闭锁, 分别表示起始门和结束门. 起始门初始值为1 , 结束门初始值为等待的事件数量. 
• 每个工作线程在起始门等待,
• 所有线程就绪后起始门调用 countDown()直到起始门的值为0, 之后所有线程同时开始执行(因为线程之前都在起始门等待)
• 主线程调用结束门的await(), 主线程阻塞直到所有工作线程结束
• 工作线程全部执行完毕, 主线程运行

package com.pinnet.test;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountLatchTest {

    public void timeTask(int threadNumbers, Runnable task) throws InterruptedException {
        CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch end = new CountDownLatch(threadNumbers);

        for (int i = 0; i < threadNumbers; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        // 所有线程在起始门等待
                        start.await();
                        // 执行任务
                        task.run();
                        // 结束门递减
                        end.countDown();
                    } catch (InterruptedException e) {

                    }
                }
            }.start();
        }
        // 所有工作线程开始执行
        start.countDown();
        // 所有工作线程启动后主线程立即登待
        end.await();
        System.out.println("开始主线程");

    }

}

用法二: 创建一定数量的线程,多个线程依次的执行任务

• 使用一个闭锁
• 线程依次启动, 执行完成后countDown() 
• 主线程 await() , 直到计数器为0 ,主线程执行

public void timeTask2(int threadNumbers, Runnable task) throws InterruptedException {
        CountDownLatch start = new CountDownLatch(threadNumbers);
        // 任务一次执行
        for (int i = 0; i < threadNumbers; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                        // 任务开始
                        task.run();
                        // 递减
                        start.countDown();
                }
            }.start();
        }
        // 主线程阻塞直到计数器为0
        start.await();
        System.out.println("开始主线程");

    }

5.5.2 FutureTask

　　一种可生成结果,可异步取消的计算.

• 计算通过 Callable 实现
• 可以将计算结果从执行任务的线程 传递 到获取这个结果的线程 , 并保证其安全性
• get() 获取结果可阻塞到任务完成

public class FutureTaskTest {
    // 创建任务
    private final FutureTask<Integer> future = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
        public Integer call() {
            return 123;
        }
    });
    // 创建线程
    private final Thread thread = new Thread(future);
    // 对外提供方法启动线程
    public void start() {
        thread.start();
    }
    // 获取计算结果
    public Integer get() {
        try {
            return future.get();
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

5.5.3 信号量(Semaphore)

• 控制同时访问某个资源或执行某个操作的数量.
• Semaphore 管理一定数量的许可, 执行操作时先获取许可,执行完操作后释放许可.
• 获取许可时可阻塞.

5.5.4 栅栏

　　闭锁和栅栏的区别 :

• 闭锁是一次性对象 , 一旦进入终止状态 , 就不能被重置
• 栅栏是所有线程必须同时到达栅栏位置 , 才能继续执行.
• 闭锁用于等待事件 , 栅栏用于等待线程.

　　基本使用 : 

• 指定数量线程到达栅栏位置后,所有线程被释放 . 栅栏将被重置 
• 成功通过栅栏,await()将会返回一个到达索引号
• await() 超时 或 await()阻塞的线程被中断 , 则栅栏被打破.所有阻塞的await() 调用被终止 , 并抛出 BrokenBarrierException.

　　用法一 : CyclicBarrier(int number)   

　　　　　　await() 调用 number 次后所有调用 await() 的线程继续执行 , 否则线程在await() 阻塞

public void barrier() {
        int number = 6;
        // 参数表示屏障拦截的线程数量 
        // barrier.await() 调用 number 次后所有线程的阻塞状态解除
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(number);
        
        for (int i = 0; i < number; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("此线程任务已经完成");
                    try {
                        // 调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
                        barrier.await();
                        System.out.println("所有线程执行完成");
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

用法二 : CyclicBarrier(int parties, Runnable runnable) 指定数量的线程到达屏障点后 执行  runnable

 public void barrier2() {
        int number = 6;
        // 参数表示屏障拦截的线程数量 
        // barrier.await() 调用 number 次后所有线程的阻塞状态解除
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(number, new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                //  指定数量的线程到达屏障点后执行  barrier()
                barrier();
            }
        });
        
        for (int i = 0; i < number; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("此线程任务已经完成");
                    try {
                        // 调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
                        barrier.await();
                        System.out.println("所有线程执行完成");
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

双方形式的栅栏 Exchanger