4.集合类不安全
1.List集合在多线程下是不安全的
1.测试代码：创建30个线程同时操作一个资源list
public class NotSafeDemo {
public static void main(String[] args) {
List<String> list=new ArrayList<>();
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(()->{
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println(list);
},"线程"+i).start();
}
}
}
运行时会报错误(并发修改异常)：java.util.ConcurrentModificationException
问题：、
1.为什么会这样？
因为 ArrayList 线程不安全。
2.那为什么 ArrayList 线程不安全？
因为它的 add 方法没有加锁，多个线程并发过来add，就可能会出现异常。
源码如下：发现其add方法并没有加锁！
2.解决集合类不安全的方法
2.1Vector
ArrayList 和 Vector 的区别：
1.Vector 是 List 接口的古老实现类，ArrayList 是 List 接口后面新增的实现类。
2.除了线程安全问题与扩容方式不同，Vector 几乎与 ArrayList 一样。
3.可以把 Vector 作为解决 ArrayList 线程安全的一种方式（不过 Vector 效率太低），只是加上了synchronized关键字。
4.如果不需要线程安全性，推荐使用ArrayList替代Vector
测试代码如下：
public class NotSafeDemo {
public static void main(String[] args) {
重点1：创建Vector
List<String> list=new Vector<>();
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(()->{
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println(list);
},"线程"+i).start();
}
}
}
运行不会报错！
分析原因是：
1.Vector 的 add 方法加了锁，如下截图：
2.其实 Vector 读方法也加了锁，相当于读的时候，同一时刻也只能有一个线程能读！
2.2 Collections
Collections是Collection的工具类，其中就提供了一个方法，可以将线程不安全的 ArrayList 转换成线程安全的!
具体测试代码如下：重点：List<String> list= Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
public class NotSafeDemo {
public static void main(String[] args) {
重点1：使用Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())将不安全的ArrayList改为线程安全的
List<String> list= Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(()->{
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println(list);
},"线程"+i).start();
}
}
}
具体的源码如下：发现add方法也是加了锁的，并且有个mutex对象，这个对象赋值为this，即锁定的是调用者对象！
并且 Collections 工具类也支持将 HashMap, HashSet 等转换成安全的。
这个地方要注意两个地方：
1.迭代操作必须加锁，可以使用synchronized关键字修饰;
2.synchronized持有的监视器对象必须是synchronized (list),即包装后的list,
使用其他对象如synchronized (new Object())会使add,remove等方法与迭代方法使用的锁不一致，
无法实现完全的线程安全性。
源码迭代：
//迭代操作并未加锁，所以需要手动同步
public ListIterator<E> listIterator() {
return list.listIterator();
}
所以在遍历时需要手动加锁：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
//必须对list进行加锁
synchronized (list) {
Iterator i = list.iterator();
while (i.hasNext())
foo(i.next());
}2.3 CopyOnWriteArrayList（写时复制）
JUC的常用！
实现代码如下：
List<String> list= new CopyOnWriteArrayList<>();
源码结构：(可以看到CopyOnWriteArrayList底层实现为Object[] array数组。)
1.先看一下 CopyOnWriteArrayList 的结构：
public class CopyOnWriteArrayList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
}
2.添加元素：(可以看到每次添加元素时都会进行Arrays.copyOf操作，代价非常昂贵，并且发下其加锁方式是手动加锁lock)
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//重点1：手动加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
重点2：数组复制扩容//创建出一个新的数组去操作，读写分离的思想
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
重点：有两点必须讲一下。我认为CopyOnWriteArrayList这个并发组件，其实反映的是两个十分重要的分布式理念：
1.读写分离
我们读取CopyOnWriteArrayList的时候读取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，
但是修改的时候，操作的是一个新的Object[] array，读和写操作的不是同一个对象，这就是读写分离。
这种技术数据库用的非常多，在高并发下为了缓解数据库的压力，即使做了缓存也要对数据库做读写分离，
读的时候使用读库，写的时候使用写库，然后读库、写库之间进行一定的同步，这样就避免同一个库上读、写的IO操作太多
2.最终一致
对CopyOnWriteArrayList来说，线程1读取集合里面的数据，未必是最新的数据。
因为线程2、线程3、线程4四个线程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的数据，
但是线程1拿到的还是最老的那个Object[] array，新添加进去的数据并没有，
所以线程1读取的内容未必准确。不过这些数据虽然对于线程1是不一致的，
但是对于之后的线程一定是一致的，它们拿到的Object[] array一定是三个线程都操作完毕之后的Object array[]，
这就是最终一致。最终一致对于分布式系统也非常重要，它通过容忍一定时间的数据不一致，提升整个分布式系统的可用性与分区容错性。
当然，最终一致并不是任何场景都适用的，像火车站售票这种系统用户对于数据的实时性要求非常非常高，就必须做成强一致性的。Vector/CopyOnWriteArrayList/Collections.synchronizedList的性能比较
通过前面的分析可知：
1.Vector对所有操作进行了synchronized关键字修饰，性能应该比较差
2.CopyOnWriteArrayList在写操作时需要进行copy操作，读性能较好，写性能较差
3.Collections.synchronizedList性能较均衡，但是迭代操作并未加锁，所以需要时需要额外注意
并发测试结果如图：
1.可以看到随着线程数的增加，三个类操作时间都有所增加。
2.Vector的遍历操作和CopyOnWriteArrayList的写操作（图片中标红的部分）性能消耗尤其严重
3.出乎意料的是Vector的读写操作和Collections.synchronizedList比起来并没有什么差别
（印象中Vector性能很差，实际性能差的只是遍历操作，看来还是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行啊）
4.仔细分析了下代码，虽然Vector使用synchronized修饰方法，Collections.synchronizedList使用synchronized修饰语句块，
但实际锁住内容并没有什么区别，性能相似也在情理之中
总结
1.CopyOnWriteArrayList的写操作与Vector的遍历操作性能消耗尤其严重，不推荐使用。
2.CopyOnWriteArrayList适用于读操作远远多于写操作的场景。
3.Vector读写性能可以和Collections.synchronizedList比肩，但Collections.synchronizedList不仅可以包装ArrayList,
也可以包装其他List,扩展性和兼容性更好。
3.set安全问题
set：用于存储无序(存入和取出的顺序不一定相同)元素，值不能重复
测试代码如下：
public class NotSafeDemo {
public static void main(String[] args) {
//重点1：创建一个线程不安全的set
Set<String> set = new HashSet();
for (int i=0;i<=30;i++){
new Thread(()->{
set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println(set);
},"线程"+i).start();
}
}
}
运行会出现问题：(并发修改异常)java.util.ConcurrentModificationException
如何解决上述问题呢：
1.Collections工具类：
Set<String> set=Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
2.CopyOnWriteArraySet：
Set<String> set=new CopyOnWriteArraySet<>();
底层是：CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArraySet的构造方法
public CopyOnWriteArraySet() {
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}
调到set的add方法最终会调用到：
public boolean addIfAbsent(E e) {
Object[] snapshot = getArray();
//会判断list中是否有重复的，有的话就不放，没有再放
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
set特征：
1.无序性
2.不能重复
3.允许有null但是只能有一个
hashset的底层是什么呢？
set源码：发现其底层就是HashMap
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
add方法：
public boolean add(E e) {
//发现其放入的是map的key，值是固定的，所以说set里的值是hashmap的key，
return map.put(e, PRESENT)==null;
}4.HashMap的线程安全问题
不使用Map<String, Object> map = new HashMap<> ();
而是用：
1.Map<String,Object> map=new ConcurrentHashMap<>();
2.Map<String,Object> map= Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());5.Callable
Callable 接口类似于 Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常。
特点：
1.Callable 可以抛出异常
2.Callable 可以返回结果
3.Callable 调用get方法时会阻塞
4.Callable 需要借助FutureTask 去和Thread关联启动
样例：
public class Juc_Test_Lock {
public static void main(String[] args) {
//重点1：创建Callable接口实例
MyThread myThread=new MyThread();
//重点2：创建Callable关联的FutureTask
FutureTask futureTask=new FutureTask(myThread);
new Thread(futureTask,"线程1").start();
//重点3：这个方法会阻塞，因为要等待线程执行完毕拿到结果
Integer result= (Integer) futureTask.get();
System.out.println("线程返回："+result);
}
}
//重点4：实现Callable接口
class MyThread implements Callable<Integer>{
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("call方法");
return 1024;
}
}
输出:
call方法
线程返回：1024
问题：如果是两个线程同时启动呢？
new Thread(futureTask,"线程1").start();
new Thread(futureTask,"线程2").start();
输出：发现也是调用了一次call方法，理由如下！
call方法
线程返回：1024
FutureTask的构造器如下：会有一个state去标记，如果执行了一次，这个状态会变化！下次就不会执行了
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}6.常用辅助类
1CountDownLatch（减法计数器）
1.CountDownLatch：减法记数器
有三个重要方法：
1.初始化，并确定计数器最大值
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
2.计数器数量-1
countDownLatch.countDown();
3.等待计数器归0，然后再往下执行
countDownLatch.await();
样例代码如下：
public class CountDownLatch_Test {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//重点1：创建CountDownLatch减法计数器，初始值为6
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(6);
for (int i = 0; i < 6; i++) {
//重点2：每个线程间隔2秒启动
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
new Thread(() -> {
countDownLatch.countDown();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "当前时间：" + DateTime.now() + ":数量减一 当前数量：" + countDownLatch.getCount());
}, "线程" + i).start();
}
//重点3：等待记数器归0，然后往下执行
countDownLatch.await();
System.out.println("所有线程等待");
}
}
输出：
线程0当前时间：2021-08-04 22:52:54:数量减一 当前数量：6
线程1当前时间：2021-08-04 22:52:56:数量减一 当前数量：5
线程2当前时间：2021-08-04 22:52:58:数量减一 当前数量：4
线程3当前时间：2021-08-04 22:53:00:数量减一 当前数量：3
线程4当前时间：2021-08-04 22:53:02:数量减一 当前数量：2
线程5当前时间：2021-08-04 22:53:04:数量减一 当前数量：1
所有线程等待
注意点：这里不是等待所有线程都执行完毕后再执行countDownLatch.await();后的方法
而是等计数器归0，即执行了countDownLatch.countDown();后，将记数器归0，切记！
所以需要等线程都执行完毕后再执行，可以将countDownLatch.countDown()方法放在每个线程的最后！
场景：需要多个线程执行完毕/或者启动某些线程后，才能执行后续代码！2.CyclicBarrier（加法计数器）
加法记数器：
主要方法：
1.构造方法，第一个参数是从0加到多少时，会执行第二个参数中的方法
CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(7,()->{})
2.该方法，底层会调用--count，但是也会堵塞该线程，cyclicBarrier.await()后面的代码会等CyclicBarrier条件满足后再一起执行，看下执行结果！
cyclicBarrier.await();
样例代码如下：
public class CyclicBarrier_Test {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//重点1：构造方法，如果加法计数器上达到最大值7时，会执行下面的输出方法
CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(7,()->{
System.out.println("召唤神龙成功！");
});
for (int i = 0; i < 7; i++){
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
new Thread(()->{
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":时间："+ DateTime.now()+" 当前数量："+cyclicBarrier.getNumberWaiting());
//重点2：该方法底层会调用--count，但是会阻塞住该队列，等条件满足后，会一起执行后续方法！
cyclicBarrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"等待完毕！");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
},"线程："+i).start();
}
}
}
输出：
线程：0:时间：2021-08-04 23:15:45 当前数量：0
线程：1:时间：2021-08-04 23:15:48 当前数量：1
线程：2:时间：2021-08-04 23:15:51 当前数量：2
线程：3:时间：2021-08-04 23:15:54 当前数量：3
线程：4:时间：2021-08-04 23:15:57 当前数量：4
线程：5:时间：2021-08-04 23:16:00 当前数量：5
线程：6:时间：2021-08-04 23:16:03 当前数量：6
召唤神龙成功！
线程：6等待完毕！
线程：0等待完毕！
线程：1等待完毕！
线程：2等待完毕！
线程：4等待完毕！
线程：3等待完毕！
线程：5等待完毕！3.Semaphore（信号量）
常用方法：类似于线程池的概念
1.获取线程资源
semaphore.acquire();
2.释放线程资源：
semaphore.release();
样例代码如下：
public class Semaphore_Test {
public static void main(String[] args) {
//类比停车场：3个停车位，有六辆车
//重点1：规定同时访问的线程数
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i =0; i < 6; i++){
new Thread(()->{
//1.获取停车位
try {
//重点2：获取线程资源
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"得到车位，停2秒！");
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开走了..");
//重点3：释放线程资源
semaphore.release();
}
},"线程"+i).start();
}
}
}
输出：
线程2得到车位，停2秒！
线程0得到车位，停2秒！
线程1得到车位，停2秒！
线程0开走了..
线程3得到车位，停2秒！
线程1开走了..
线程4得到车位，停2秒！
线程2开走了..
线程5得到车位，停2秒！
线程5开走了..
线程4开走了..
线程3开走了..
结论：
发现只能有3个线程同时访问，其他的等待！
作用：
1.多个共享资源互斥的使用！
2.并发限流，控制最大额线程数！
