多线程基础JUC工具包
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多线程基础JUC工具包相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1、重入锁
在JUC工具包中，有Lock抽象方法，它同样实现了锁。
在示例中的代码，Lock lock = new ReentrantLock();声明锁的存在，lock.lock();开启锁，因为开启锁就一定要关闭锁，所以将解锁语句lock.unlock();放在finally中，加锁保护的对象放在这两段代码之间，这样加锁就完成了。
static Lock lock = new ReentrantLock();
public static int count = 0;
public static void incr() {
try {
Thread.sleep(1);
lock.lock();
count++;
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
new Thread(() -> Count.incr()).start();
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println("结果：" + count);
}
Lock是一个接口，具有多种实现，包括ReentrantLock（重入锁），ReentrantReadWriteLock（读写锁，适合读多写少的环境），StampedLock（JDK1.8之后出现的读写锁改进版本）
重入锁是指一个持有锁的线程，在释放锁之前，如果再次访问加了该同步锁的其他方法，这个线程不需要再次争抢锁，只需要记录重入次数。
和synchronized不同，在同一把锁中，线程的再次抢占会导致死锁，而重入锁只会记录次数，不会造成死锁。
2、AQS
AbstractQueuedSynchronizer是同步工具的核心，主要实现线程的排队阻塞操作。
在ReentrantLock的lock方法中具有两个实现，非公平锁NonfairSync和公平锁FairSync，在其构造函数中，默认是非公平锁
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
在NonfairSync类中，关键的lock方法，第一行代码就是CAS方法。CAS方法之前有提到过，就是比较并修改，这次的偏移量是state，private volatile int state，锁的状态，属于AQS的一个属性，在这里作为互斥的共享资源来使用，0表示无锁，大于0表示有锁。
因此，CAS方法表示，如果这里state的预期值是0，代表无锁，就将state更新为1，表示有锁，成功更新返回true，否则返回false。第一个线程进入并修改状态后，后续的线程就无法修改成功，这样就保证了只有一个线程可以修改成功。
如果抢占成功，setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());当前线程会被放入一个变量exclusiveOwnerThread中作为独占线程，exclusiveOwnerThread同样属于AQS。
没有抢占到锁的线程会执行acquire方法
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
tryAcquire方法用来抢占锁，nonfairTryAcquire方法中，先获取当前线程状态，如果状态为0，证明当前无锁，抢占成功，和之前的代码一样。
若当前线程为独占线程，则表示重入，记录重入次数，更改线程状态。
acquire方法中，无论是重入锁还是抢占锁，都会返回true，没抢到锁返回false，之后取反，只有没抢占到锁才会继续执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
addwaiter方法创建双向链表，会将抢占失败的线程放入双线链表中，Node就是链表节点，此双向链表的头结点为空。
acquireQueued方法，若传入节点的前一个节点为头结点，且抢占锁成功，就返回失败，终止逻辑。
反之，则让线程阻塞。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
想要唤醒阻塞线程，就需要unlock()方法。
tryRelease方法中，将当前线程状态减去1，即减少重入次数，如果此时状态为0，变为无锁，则去除独占线程，返回解锁成功。无论是否无锁，都将更新线程状态，返回是否解锁成功。
如果解锁成功，取出头结点，如果头结点不为空且仍在等待，就执行unparkSuccessor，返回解锁成功，反之返回失败。
unparkSuccessor方法，唤醒头结点的下一个节点。
唤醒之后，阻塞方法将返回一个中断标志，因为被唤醒的线程可以重新加入抢占，并且可以抢占到锁，然后去除双向链表头结点，将下一个的线程变为头节点。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
3、CountDownLatch
countdownlatch是一个同步工具类，它允许一个或多个线程一直等待，直到其他线程的操作执行完毕再执行。
3.1、基础应用
在示例代码中，CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);指的是倒计时3，countDownLatch.countDown();意为倒计时启动，会将倒计时的设置数减去1，等到倒计时数等于0时，线程将会启动。
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
new Thread(()->{
countDownLatch.countDown();
}).start();
new Thread(()->{
countDownLatch.countDown();
}).start();
new Thread(()->{
countDownLatch.countDown();
}).start();
countDownLatch.await();
System.out.println("end");
}
}
3.2、应用场景
可以当循环的100个线程进入等待，直到主线程计数减1，等待的100个线程将同时启动
public class CountDownLatchDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
IntStream.range(1,100).forEach(i->{
new Thread(()->{
try {
countDownLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("end");
}).start();
});
Thread.sleep(5000);
countDownLatch.countDown();
}
}
3.3、原理分析
在CountDownLatch的await方法中，如果线程中断就抛出中断异常，未中断就判断倒计时数是否为0，若为0就返回1，反之返回-1。
若小于0，即倒计时还未结束，执行doAcquireSharedInterruptibly方法。
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
addWaiter方法在AQS中见到过，它会将线程组成一个双向链表，同时循环判断节点的前一个节点是否为头结点，若为头结点，则判断倒计时数是否为0，若为0就返回1，反之返回-1。若大于等于0，即倒计时已经结束，等待结束。
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
在CountDownLatch的countDown方法中，获取当前倒计时数，如果不为0，就减去1，使用CAS更新当前倒计时数，若此时倒计时数为0，返回true，执行doReleaseShared方法。
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
doReleaseShared方法，将双向链表中的全部线程依次唤醒。逻辑当unparkSuccessor方法唤醒头结点的下一个节点，也就是第一个线程之后，CAS将改变线程的状态，随后根据AQS原理，头结点将被删除，第二个节点将变为头结点。如果h节点为头结点，则代表整个链表都已经被唤醒，完成循环唤醒的操作，这就是共享锁的依次唤醒，上一个线程唤醒下一个线程。
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
} else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}