JUC 高并发编程
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JUC 高并发编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
- 1.什么是 JUC
- 2.Lock 接口
- 3.线程间通信
- 4.集合的线程安全
- 5.多线程锁
- 6.Callable&Future 接口
- 7.JUC 三大辅助类: CountDownLatch CyclicBarrier Semaphore
- 8.读写锁: ReentrantReadWriteLock
- 9.阻塞队列
- 10.ThreadPool 线程池
- 11.Fork/Join 框架
- 12.CompletableFuture
尚硅谷大厂必备技术之JUC并发编程2021新版
1.什么是 JUC
1.1.JUC 简介
在 Java 中，线程部分是一个重点，本篇文章说的 JUC 也是关于线程的。JUC就是 java.util .concurrent 工具包的简称。这是一个处理线程的工具包，JDK 1.5 开始出现的。
1.2.进程与线程
-
进程（Process） 是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。 在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
-
线程（thread） 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
-
总结来说:
- 进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程——资源分配的最小单位。
- 线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程——程序执行的最小单位。
1.3.线程的状态
1.3.1 线程状态枚举类
Thread.state
public enum State
/**
* Thread state for a thread which has not yet started.
*/
NEW,(新建)
/**
* 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,（准备就绪）
/**
* 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,（阻塞）
/**
* 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 <tt>Object.wait()</tt>
* on an object is waiting for another thread to call
* <tt>Object.notify()</tt> or <tt>Object.notifyAll()</tt> on
* that object. A thread that has called <tt>Thread.join()</tt>
* is waiting for a specified thread to terminate.
*/
WAITING,（不见不散）
/**
* 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,（过时不候）
/**
* Thread state for a terminated thread.
* The thread has completed execution.
*/
TERMINATED;(终结)
1.3.2.wait/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，它也不需要占用锁。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。
1.4.并发与并行
1.4.1.串行模式
- 串行表示所有任务都一一按先后顺序进行。串行意味着必须先装完一车柴才能运送这车柴，只有运送到了，才能卸下这车柴，并且只有完成了这整个三个步骤，才能进行下一个步骤。
- 串行是一次只能取得一个任务，并执行这个任务。
1.4.2.并行模式
- 并行意味着可以同时取得多个任务，并同时去执行所取得的这些任务。并行模式相当于将长长的一条队列，划分成了多条短队列，所以并行缩短了任务队列的长度。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。
1.4.3.并发
- **并发(concurrent)指的是多个程序可以同时运行的现象，更细化的是多进程可以同时运行或者多指令可以同时运行。**但这不是重点，在描述并发的时候也不会去扣这种字眼是否精确，并发的重点在于它是一种现象, 并发描述的是多进程同时运行的现象。但实际上，对于单核心 CPU 来说，同一时刻只能运行一个线程。所以，这里的"同时运行"表示的不是真的同一时刻有多个线程运行的现象，这是并行的概念，而是提供一种功能让用户看来多个程序同时运行起来了，但实际上这些程序中的进程不是一直霸占 CPU 的，而是执行一会停一会。
- 要解决大并发问题，通常是将大任务分解成多个小任务, 由于操作系统对进程的调度是随机的，所以切分成多个小任务后，可能会从任一小任务处执行。这可能会出现一些现象：
- 可能出现一个小任务执行了多次，还没开始下个任务的情况。这时一般会采用队列或类似的数据结构来存放各个小任务的成果
- 可能出现还没准备好第一步就执行第二步的可能。这时，一般采用多路复用或异步的方式，比如只有准备好产生了事件通知才执行某个任务。
- 可以多进程/多线程的方式并行执行这些小任务。也可以单进程/单线程执行这些小任务，这时很可能要配合多路复用才能达到较高的效率。
1.4.4.小结(重点)
- 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
- 例子：春运抢票 电商秒杀…
- 并行：多项工作一起执行，之后再汇总
- 例子：泡方便面，电水壶烧水，一边撕调料倒入桶中
1.5.管程
- 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
1.6.用户线程和守护线程
- 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
2.Lock 接口
2.1.Synchronized
2.1.1.Synchronized 关键字回顾
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：
- 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；
- 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；
- 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
- 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；
- 修饰一个类，其作用的范围是 synchronized 后面括号括起来的部分，作用的对象是这个类的所有对象。
2.1.2.售票案例
package com.weeks.sync;
/**
* @author 达少
* @version 1.0
*
* 使用synchronized实现线程同步
*
*/
public class SaleTicket
public static void main(String[] args)
Ticket ticket = new Ticket();
new Thread(new Runnable()
@Override
public void run()
for (int i = 0; i < 40; i++)
ticket.sale();
, "A").start();
new Thread(new Runnable()
@Override
public void run()
for (int i = 0; i < 40; i++)
ticket.sale();
, "B").start();
new Thread(new Runnable()
@Override
public void run()
for (int i = 0; i < 40; i++)
ticket.sale();
, "C").start();
class Ticket
int number = 30;//票的数量
//使用synchronized实现资源的加锁访问
public synchronized void sale()
if(number > 0)
number--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
"卖出了第 " + (30 - number) + " 张票，还剩 " + number + " 张票。");
如果一个代码块被 synchronized 修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：
- 获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
- 线程执行发生异常，此时 JVM 会让线程自动释放锁。
那么如果这个获取锁的线程由于要等待 IO 或者其他原因（比如调用 sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过 Lock 就可以办到。
2.2.什么是 Lock
Lock 锁实现提供了比使用同步方法和语句可以获得的更广泛的锁操作。它们允许更灵活的结构，可能具有非常不同的属性，并且可能支持多个关联的条件对象。Lock 提供了比 synchronized 更多的功能。
Lock 与的 Synchronized 区别
- Lock 不是 Java 语言内置的，synchronized 是 Java 语言的关键字，因此是内置特性。Lock 是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
- Lock 和 synchronized 有一点非常大的不同，采用 synchronized 不需要用户去手动释放锁，当 synchronized 方法或者 synchronized 代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock 则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。
2.2.1.Lock 接口
public interface Lock
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
下面来逐个讲述 Lock 接口中每个方法的使用
2.2.2.lock
- lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。
- 采用 Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用 Lock 必须在 trycatch块中进行，并且将释放锁的操作放在finally 块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用 Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：
Lock lock = ...;
lock.lock();
try
//处理任务
catch(Exception ex)
finally
lock.unlock(); //释放锁
2.2.3.newCondition
- 关键字 synchronized 与 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 类也可以实现等待/通知模式。
-用 notify()通知时，JVM 会随机唤醒某个等待的线程， 使用 Condition 类可以进行选择性通知， Condition 比较常用的两个方法：- 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。
2.3.ReentrantLock
- ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念将在后面讲述。
- ReentrantLock 是唯一实现了 Lock 接口的类，并且 ReentrantLock 提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用。
public class Test
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
public static void main(String[] args)
final Test test = new Test();
new Thread()
public void run()
test.insert(Thread.currentThread());
;
.start();
new Thread()
public void run()
test.insert(Thread.currentThread());
;
.start();
public void insert(Thread thread)
Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
lock.lock();
try
System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
for (int i = 0; i < 5; i++)
arrayList.add(i);
catch (Exception e)
// TODO: handle exception
finally
System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
lock.unlock();
2.4.ReadWriteLock
- ReadWriteLock 也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：
public interface ReadWriteLock
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock();
- 一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成 2 个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口。
- ReentrantReadWriteLock 里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个方法：readLock()和 writeLock()用来获取读锁和写锁。
下面通过几个例子来看一下 ReentrantReadWriteLock 具体用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下 synchronized 达到的效果：
public class Test
private ReentrantReadWriteLock rwl = new
ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args)
final Test test = new Test();
new Thread()
public void run()
test.get(Thread.currentThread());
;
.start();
new Thread()
public void run()
test.get(Thread.currentThread());
;
.start();
public synchronized void get(Thread thread)
long start = System.currentTimeMillis();
while (System.currentTimeMillis() - start <= 1)
System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作");
System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
而改成用读写锁的话：
public class Test
private ReentrantReadWriteLock rwl = new
ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args)
final Test test = new Test();
new Thread()
public void run()
test.get(Thread.currentThread());
;
.start();
new Thread()
public void run()
test.get(Thread.currentThread());
;
.start();
public void get(Thread thread)
rwl.readLock().lock();
try
long start = System.currentTimeMillis();
while (System.currentTimeMillis() - start <= 1)
System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作");
System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
finally
rwl.readLock().unlock();
说明 thread1 和 thread2 在同时进行读操作。这样就大大提升了读操作的效率。
注意:
- 如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
- 如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。
2.5.小结(重点)
Lock 和 synchronized 有以下几点不同：
- Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
- 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；
- 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
- Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。
在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时 Lock 的性能要远远优于synchronized。
3.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，以下方式都是基本这两种模型来实现的。我们来基本一道面试常见的题目来分析:
场景—两个线程，一个线程对当前数值加 1，另一个线程对当前数值减 1,要求用线程间通信
3.1.synchronized 方案
package com.weeks.sync;
/**
* @author 达少
* @version 1.0
*
* 使用synchronized关键字，让两个线程完成对一个数的加1和减1操作
*
* 多线程的几个固定的步骤：
* 1.编写资源类，包括资源类的属性和方法
* 2.资源类的方法完成：1）判断； 2）干活； 3）通知
* 3.使用线程调用资源类的操作方法
* 4.防止虚假唤醒
*
*/
public class IncrementAndDecrement
public static void main(String[] args)
Share share = new Share();
//3.使用线程调用资源类的操作方法
new Thread(()->
for (int i = 0; i < 10; i++)
try
share.increment();
catch (InterruptedException e)
e.printStackTrace();
, "A").start();
new Thread(()->
for (int i = 以上是关于JUC 高并发编程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章