尚硅谷JUC高并发编程学习笔记JUC简介与Lock接口

Posted 2022-11-18 exodus3

一、什么是 JUC

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。

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。

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。

3、线程的状态

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)

②、wait/sleep 的区别

（1）sleep 是 Thread 的静态方法，wait 是 Object 的方法，任何对象实例都能调用。
（2）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)。
（3）它们都可以被 interrupted 方法中断。
wait放开手去睡,放开手里的锁；wait是Object类中的方法
sleep握紧手去睡,醒了手里还有锁 ;sleep是Thread中的方法

4、并发与并行

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。

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。

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。

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
并行就是两个任务同时运行,就是甲任务进行的同时,乙任务也在进行(需要多核CPU)
并发是指两个任务都请求运行,而处理器只能接收一个任务,就是把这两个任务安排轮流进行,由于时间间隔较短,使人感觉两个任务都在运行(12306抢票的案例)

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。

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

二、Lock 接口

1、Synchronized

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：

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；
   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。
3. 修改一个静态的方法，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. 修改一个类，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。

②、售票案例

创建SaleTicket类

//第一步  创建资源类，定义属性和和操作方法
class Ticket 
    //票数
    private int number = 30;
    //操作方法：卖票
    public synchronized void sale() 
        //判断：是否有票
        if(number > 0) 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : 卖出："+(number--)+" 剩下："+number);
        
    


public class SaleTicket 
    //第二步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
    public static void main(String[] args) 
        //创建Ticket对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个线程
        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //调用卖票方法
                for (int i = 0; i < 40; i++) 
                    ticket.sale();
                
            
        ,"AA").start();

        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //调用卖票方法
                for (int i = 0; i < 40; i++) 
                    ticket.sale();
                
            
        ,"BB").start();

        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //调用卖票方法
                for (int i = 0; i < 40; i++) 
                    ticket.sale();
                
            
        ,"CC").start();
    

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：
1）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；
2）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、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。

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、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)
finallylock.unlock(); //释放锁

具体代码示列

//第一步  创建资源类，定义属性和和操作方法
class LTicket 
    //票数量
    private int number = 30;

    //创建可重入锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    //卖票方法
    public void sale() 
        //上锁
        lock.lock();
        try 
            //判断是否有票
            if(number > 0) 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ：卖出"+(number--)+" 剩余："+number);
            
         finally 
            //解锁
            lock.unlock();
        
    


public class LSaleTicket 
    //第二步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
    //创建三个线程
    public static void main(String[] args) 

    LTicket ticket = new LTicket();

	new Thread(()-> 
	   for (int i = 0; i < 40; i++) 
	       ticket.sale();
	   
	,"AA").start();

    new Thread(()-> 
        for (int i = 0; i < 40; i++) 
            ticket.sale();
        
    ,"BB").start();

    new Thread(()-> 
        for (int i = 0; i < 40; i++) 
            ticket.sale();
        
    ,"CC").start();