学习004 java并发包&线程池原理分析&锁的深度化

Posted 2021-11-30 hongmoshui

并发包【jdk1.7】

同步容器类

Vector与ArrayList区别

1.ArrayList是最常用的List实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要讲已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。

2.Vector与ArrayList一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList慢

注意: Vector线程安全、ArrayList

Vector源码类

Add方法源码类

Arraylist源码

Add方法源码

HasTable与HasMap

1.HashMap不是线程安全的 

HastMap是一个接口 是map接口的子接口，是将键映射到值的对象，其中键和值都是对象，并且不能包含重复键，但可以包含重复值。HashMap允许null key和null value，而hashtable不允许。

2.HashTable是线程安全的一个Collection。

3.HashMap是Hashtable的轻量级实现（非线程安全的实现），他们都完成了Map接口，主要区别在于HashMap允许空（null）键值（key）,由于非线程安全，效率上可能高于Hashtable。
HashMap允许将null作为一个entry的key或者value，而Hashtable不允许。
HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsvalue和containsKey。

注意: HashTable线程安全，HashMap线程不安全。

源码分析

synchronizedMap

 Collections.synchronized*(m) 将线程不安全额集合变为线程安全集合

ConcurrentHashMap

ConcurrentMap接口下有俩个重要的实现 :
ConcurrentHashMap
ConcurrentskipListMap (支持并发排序功能。弥补ConcurrentHas hMa p)
ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个
小的HashTable,它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并
发进行。把一个整体默认分成了16个段【2的整数倍，范围:2~2^31段】(Segment.也就是默认支持16个线程的并发修改操作。
这也是在重线程场景时减小锁的粒度从而降低锁竞争的一种方案。并且代码中大多共享变
量使用volatile关键字声明，目的是第一时间获取修改的内容，性能非常好。

CountDownLatch
CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

package hongmoshui.com.cnblogs.www.study.day004;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test002
{

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(new Runnable()
        {
            public void run()
            {
                System.out.println("我是子线程1开始执行任务......");
                try
                {
                    // 子线程正在处理事情
                    Thread.sleep(10);
                }
                catch (Exception e)
                {
                    // TODO: handle exception
                }
                countDownLatch.countDown();// 每次减1
                System.out.println("我是子线程1结束执行任务......");
            }
        }).start();
        ;
        new Thread(new Runnable()
        {
            public void run()
            {
                System.out.println("我是子线程2开始执行任务......");
                try
                {
                    // 子线程正在处理事情
                    Thread.sleep(10);
                }
                catch (Exception e)
                {
                    // TODO: handle exception
                }
                countDownLatch.countDown();// 每次减1
                System.out.println("我是子线程2结束执行任务......");
            }
        }).start();
        ;
        countDownLatch.await();// 如果不为0的时候，一致等待
        System.out.println("主线程开始执行任务");
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            System.out.println("main i:" + i);
        }
    }

}

CyclicBarrier

CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。 

 CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。 

CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

package hongmoshui.com.cnblogs.www.study.day004;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

class Writer extends Thread
{
    CyclicBarrier cyclicBarrier;

    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier)
    {
        this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始写入数据...");
        try
        {
            // 模拟耗时时间
            Thread.sleep(30);

            // 执行并行执行成功
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入数据成功...");
            cyclicBarrier.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "所有数据执行完毕...");
        }
        catch (Exception e)
        {
            // TODO: handle exception
        }

    }

}

public class Test003
{

    public static void main(String[] args)
    {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            new Writer(cyclicBarrier).start();
        }
    }

}

Semaphore

Semaphore是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池，我们也可以创建计数为1的Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。它的用法如下：

//函数用来获取当前可用的资源数量
semaphore.availablePermits();
 //申请资源
semaphore.acquire();
// 释放资源
semaphore.release();

案例:

需求: 一个车站只有3个取票窗口，但是有10个人来上取票，那怎么办？假设10的人的编号分别为1-10，并且1号先到取票窗口，10号最后到取票窗口。那么1-3号来的时候必然有可用取票窗口位，顺利取票，4号来的时候需要看看前面3人是否有人已经取完票了，如果有人取完离开，就进去，否则等待。同样的道理，4-10号也需要等待正在取票的人离开后才能进去，并且谁先进去这得看等待的人是否有资源权限，是否能遵守先来先上的规则。

代码:

package hongmoshui.com.cnblogs.www.study.day004;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;

class Parent extends Thread
{
    Semaphore semaphore;

    String name;

    public Parent(Semaphore semaphore, String name)
    {
        this.semaphore = semaphore;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        // 获取到资源，减去1
        int availablePermits = semaphore.availablePermits();
        if (availablePermits > 0)
        {
            System.out.println(name + "天助我也，终于到我啦!!");
        }
        else
        {
            System.out.println(name + "怎么人又爆满了.....");
        }
        try
        {
            semaphore.acquire();
            System.out.println(name + "终于轮到我啦!!!");

            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000)); // 模拟上排队取票时间。
            System.out.println(name + "终于取到票啦,搞定,爽!");

        }
        catch (InterruptedException e)
        {

        }
        finally
        {
            // 释放资源
            semaphore.release();
        }

    }
}

public class Test004
{

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        // // 最多支持多个资源访问
        // Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
        // // 获取到资源，减去1
        // semaphore.availablePermits();
        // // 释放资源
        // semaphore.release();
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 1; i <= 10; i++)
        {
            new Parent(semaphore, "第" + i + "个" + ",").start();
        }
    }

}

并发队列

在并发队列上JDK提供了两套实现，一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能队

列，一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列，无论哪种都继承自Queue。

ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedQueue ：

是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现
了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue.它
是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先
加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素。

ConcurrentLinkedQueue重要方法：
add()和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中这俩个方法没有任何区别)
poll() 和peek() 都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素，后者不会。

        // 无界的队列
        ConcurrentLinkedDeque q = new ConcurrentLinkedDeque();
        q.offer("洪墨水");
        q.offer("老");
        q.offer("牛");
        q.offer("逼");
        q.offer("了");
        System.out.println("初始队列长度：" + q.size());
        // 从头获取一个元素,不刪除该元素
        System.out.println("执行peek获取一个元素：" + q.peek());
        System.out.println("执行peek后的队列长度：" + q.size());
        // 从头获取一个元素,删除该元素
        System.out.println("执行poll获取一个元素：" + q.poll());
        // 获取总长度
        System.out.println("执行poll后的初始队列长度：" + q.size());

运行结果：

初始队列长度：5
执行peek获取一个元素：洪墨水
执行peek后的队列长度：5
执行poll获取一个元素：洪墨水
执行poll后的初始队列长度：4

BlockingQueue

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：

在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。 

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

 

BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

1. 当队列满了的时候进行入队列操作时阻塞

2. 当队列空了的时候进行出队列操作时阻塞

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。

认识BlockingQueue：

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞
的插入和移除方法。
1）支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不
满。
2）支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是
从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器

常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）

　　先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。

　　后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。

      多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。然而，在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。（在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒）

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。

ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

        ArrayBlockingQueue arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);
        arrayBlockingQueue.add("张三");
        arrayBlockingQueue.add("李四");
        arrayBlockingQueue.add("王武");
        // 可以阻塞的队列
        boolean offer = arrayBlockingQueue.offer("王麻衣子", 2, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println(arrayBlockingQueue.size() + "---" + offer);
        System.out.println(arrayBlockingQueue.poll());
        System.out.println(arrayBlockingQueue.poll());
        System.out.println(arrayBlockingQueue.poll());
        System.out.println(arrayBlockingQueue.poll());

运行结果：

3---false
张三
李四
王武
null

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue(3);
linkedBlockingQueue.add("张三");
linkedBlockingQueue.add("李四");
linkedBlockingQueue.add("李四");
System.out.println(linkedBlockingQueue.size());

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就

是按照我们对这个接口的实现来定义的。另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

package hongmoshui.com.cnblogs.www.study.day004;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class ProducerThread extends Thread
{
    private BlockingQueue<Object> queue;

    private volatile boolean flag = true;

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    ProducerThread(BlockingQueue<Object> blockingQueue)
    {
        this.queue = blockingQueue;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的生产者线程启动...");
        try
        {
            while (flag)
            {
                System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的生产者正在生产...");
                String data = count.incrementAndGet() + "";
                // 添加队列
                boolean offer = queue.offer(data);
                if (offer)
                {
                    System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的生产者线程,把data：" + data + "添加到队列成功!");
                }
                else
                {
                    System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的生产者线程,把data：" + data + "添加到队列失败!");
                }
                Thread.sleep(1000);
            }
        }
        catch (Exception e)
        {
            // TODO: handle exception
        }
        finally
        {
            System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的生产者线程停止...");
        }
    }

    public void stopThread()
    {
        this.flag = false;
    }

}

class ConsumerThread extends Thread
{
    private BlockingQueue<Object> queue;

    private volatile boolean flag = true;

    ConsumerThread(BlockingQueue<Object> blockingQueue)
    {
        this.queue = blockingQueue;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的消费者线程启动....");
        try
        {
            while (flag)
            {
                // 从队列中获取一个元素,获取完毕后,队列会把这个元素删除掉,获取的超时时间设置为2s
                String data = (String) queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
                if (data != null)
                {
                    System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的消费者获取 data:" + data + "成功...");
                }
                else
                {
                    System.out.println("线程名称为：" + Thread.currentThread().getName() + "的消费者获取 data:" + data + "失败..");
                    this.flag = false;
                }
            }
        }
        catch (Exception e)
        {
            // TODO: handle exception
        }
        finally
        {
            System.out.println("消费停止....");
        }
    }
}

public class Test006
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        BlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<Object>(10);
        ProducerThread p1 = new ProducerThread(queue);
        ProducerThread p2 = new ProducerThread(queue);
        ConsumerThread c1 = new ConsumerThread(queue);
        p1.start();
        p2.start();
        c1.start();

        // 执行10s
        Thread.sleep(10 * 1000);
        p1.stopThread();
        p2.stopThread();
    }

}