Java - JUC(java.util.concurrent)包详解，其下的锁、安全集合类、线程池相关、线程创建相关和线程辅助类、阻塞队列

2023-12-10 06:20
文章标签 java 线程 详解 安全 创建 队列 阻塞 相关 util 集合 辅助 juc concurrent 其下

本文主要是介绍Java - JUC(java.util.concurrent)包详解，其下的锁、安全集合类、线程池相关、线程创建相关和线程辅助类、阻塞队列，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

JUC是什么？

JUC是java.util.concurrent包的简称，在Java5.0添加，目的就是为了更好的支持高并发任务。让开发者进行多线程编程时减少竞争条件和死锁的问题

Java中线程有六个状态

java.lang.Thread.State

public enum State {// 新生NEW,// 运行RUNNABLE,// 阻塞BLOCKED,// 等待WAITING,//超时等待TIMED_WAITING,//终止TERMINATED;}

JUC的结构 

tools（工具类）：又叫信号量三组工具类，包含有

CountDownLatch（闭锁） 是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待

CyclicBarrier（栅栏） 之所以叫barrier，是因为是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 ，并且在释放等待线程后可以重用。

Semaphore（信号量） 是一个计数信号量，它的本质是一个“共享锁“。信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用 acquire()来获取信号量的许可；当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。

executor(执行者)：是Java里面线程池的顶级接口，但它只是一个执行线程的工具，真正的线程池接口是ExecutorService，里面包含的类有：

ScheduledExecutorService 解决那些需要任务重复执行的问题

ScheduledThreadPoolExecutor 周期性任务调度的类实现

atomic(原子性包)：是JDK提供的一组原子操作类

包含有AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicIntegerArray等原子变量类，他们的实现原理大多是持有它们各自的对应的类型变量value，而且被volatile关键字修饰了。这样来保证每次一个线程要使用它都会拿到最新的值。

locks（锁包）：是JDK提供的锁机制，相比synchronized关键字来进行同步锁，功能更加强大，它为锁提供了一个框架，该框架允许更灵活地使用锁包含的实现类有：

ReentrantLock 它是独占锁，是指只能被独自占领，即同一个时间点只能被一个线程锁获取到的锁。

ReentrantReadWriteLock 它包括子类ReadLock和WriteLock。ReadLock是共享锁，而WriteLock是独占锁。

LockSupport 它具备阻塞线程和解除阻塞线程的功能，并且不会引发死锁。

collections(集合类)：主要是提供线程安全的集合， 比如：

ArrayList对应的高并发类是CopyOnWriteArrayList，

HashSet对应的高并发类是 CopyOnWriteArraySet，

HashMap对应的高并发类是ConcurrentHashMap等等

synchronized和JUC的Lock

synchronized和lock锁的区别

synchronized内置的java关键字,Lock是一个java类
synchronized无法判断获取锁的状态, Lock可以判断是否获取到了锁
synchronized会自动释放锁,Lock必须要手动释放锁!如果不是释放锁,会产生死锁
synchronized 线程1(获得锁,阻塞),线程2(等待); Lock锁就不一定会等待下去
synchronized 可重入锁,不可以中断的,非公平的; Lock锁,可重入的,可以判断锁,非公平(可自己设置);
synchronized 适合锁少量的代码同步问题,Lock 适合锁大量的同步代码

reentrantLock

ReentrantLock 和 synchronized 的区别：

🍃1.synchronized 使用时不需要手动释放锁. ReentrantLock 使用时需要手动释放. 使用起来更灵活, 但是也容易遗漏 unlock。

🍃2.synchronized只是非公平锁，ReentranLock 提供了公平锁和非公平锁两种实现，可以通过构造方法来切换。

🍃3.ReentrantLock 还提供了一个特殊的加锁操作-- tryLock()。默认的 lock() 加锁失败就阻塞，而 tryLock() 加锁失败，则不阻塞，继续往下执行，并且返回 false。除了立即失败之外，tryLock() 还能设定一定的等待时间。

🍃4.ReentrantLock 提供了更强大的等待/唤醒 机制。 synchronized 搭配的是 Object 类的 wait，notify，只能随机唤醒其中一个线程；ReentrantLock 搭配了 Condition 类来实现等待唤醒，可以做到能随机唤醒一个，也能指定线程唤醒。

构造方法：

  	public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync(); //无参默认非公平锁}public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//传参为true为公平锁}
public class SaleTicketDemo {public static void main(String[] args) {Ticket ticket = new Ticket();new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "a").start();new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "b").start();new Thread(()->{for(int i = 0; i < 40; i++) ticket.sale();}, "c").start();}
}class Ticket {private int ticketNum = 30;private Lock lock = new ReentrantLock();public void sale() {lock.lock();try {if (this.ticketNum > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购得第" + ticketNum-- + "张票, 剩余" + ticketNum + "张票");}//增加错误的发生几率Thread.sleep(10);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}

Condition

精准的通知和唤醒线程
Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
Conditon中的await()对应Object的wait()；

Condition中的signal()对应Object的notify()；

Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

对比项Object Monitor MethodsCondition
前置条件获取对象的锁调用Lock.lock()获取锁
调用Lock.newCondition() 获取 Condition 对象
调用方式直接调用
如:object.wait0		直接调用
如:condition.await()
等待队列个数一个多个
当前线程释放锁并进入等待状态支持支持
当前线程释放锁并进入等待状态,在
等待状态中不响应中断		不支持支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态支持支持
当前线程释放锁并进入等待状态到将
来的某个时间		不支持支持
唤醒等待队列中的一个线程支持支持
唤醒等持队列中的全部线程持支持

 Condition常见例子（生产者消费者模式）

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class PC {public static void main(String[] args) {a a = new a();new Thread(()->{for (int i =0;i<10;i++){a.increment();}},"A").start();new Thread(()->{for (int i =0;i<10;i++){a.decrease();}},"B").start();}}
class  a{public int nummber=0;Lock lock = new ReentrantLock();Condition condition = lock.newCondition();public   void  increment(){lock.lock();try {while(nummber!=0){condition.await();}nummber++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+">>"+nummber);condition.signalAll();}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public  void decrease(){lock.lock();try {while(nummber!=1){condition.await();}nummber--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+">>"+nummber);condition.signalAll();}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}

JUC下的读写锁ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock

package com.czp.lock;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;/*** 独占锁(写锁) 一次只能由一个线程占有* 共享锁(读锁) 一次可以有多个线程占有* readWriteLock* 读-读 可以共存* 读-写  不能共存* 写-写 不能共存*/
public class ReadWriteLock {public static void main(String[] args) {MyCacheLock myCache = new MyCacheLock();//写入操作for (int i = 0; i < 6; i++) {int temp = i;new Thread(() -> {myCache.put(temp + "", temp + "");}, String.valueOf(i)).start();}//读取操作for (int i = 0; i < 6; i++) {int temp = i;new Thread(() -> {myCache.get(temp + "");}, String.valueOf(i)).start();}}
}class MyCacheLock {private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();//读写锁private java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();// 存,写入的时候只有一个人操作public Object get(String key) {lock.readLock().lock();Object o = null;try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}o = map.get(key);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取ok" + o);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.readLock().unlock();}return o;}public void put(String key, Object value) {lock.writeLock().lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + key);map.put(key, value);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入完毕");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.writeLock().unlock();}}}class MyCache {private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();public Object get(String key) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取");Object o = map.get(key);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取ok" + o);return o;}public void put(String key, Object value) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + key);map.put(key, value);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入完毕");}}

不安全的集合类和JUC的collections

list 不安全-CpoyOnWriteArrayList

CpoyOnWriteArrayList（写时复制）。当多个线程读的时候，是线程安全的，不需要加锁；当多个线程涉及到修改的时候，先将当前容器进行Copy， 复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素， 添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。

//java.util.ConcurrentModificationException 并发修改异常!
public class ListTest {public static void main(String[] args) {//并发下 arrayList 是不安全的/*** 解决方案* 1. 使用vector解决* 2. List<String> arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());* 3. List<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();*///copyOnWrite 写入时复制  COW 计算机程序设计领域的一种优化策略//多个线程调用的时候, list, 读取的时候固定的,写入的时候,可能会覆盖//在写入的时候避免覆盖造成数据问题//CopyOnWriteArrayList 比 vector牛逼在哪里//读写分离List<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();for (int i = 0; i < 100; i++) {new Thread(()->{arrayList.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));System.out.println(arrayList);},String.valueOf(i)).start();}}
}

set 不安全-CopyOnWriteArraySet

/*** 同理可证*/
public class SetTest {public static void main(String[] args) {//        Set<String> set = new HashSet<>();//如何解决hashSet线程安全问题//1. Set<String> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());Set<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();for (int i = 0; i < 100; i++) {new Thread(() -> {set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 5));System.out.println(set);}, String.valueOf(i)).start();}}
}

hashSet底层是hashMap

public HashSet() {map = new HashMap<>();
}// add 的本质就是 map 的 key key是无法重复的
public boolean add(E e) {return map.put(e, PRESENT)==null;
}
private static final Object PRESENT = new Object();//这是一个不变的值

HashMap不安全-ConcurrentHashMap

Hashtable 是线程安全的，但是不推荐使用，因为它的做法是直接给 Hashtable 对象本身加锁。

如果是 Hashtable 这种加锁方式，两线程访问不同链表中的元素（hash运算不等会放在不同链表中），不会产生线程安全的情况，它也给加锁了，这就导致严重的竞争关系，大大的拖慢了程序的效率！！

size 属性也是通过 synchronized 来控制同步 , 也是比较慢的。
一旦触发扩容 , 就由该线程完成整个扩容过程 . 这个过程会涉及到大量的元素拷贝 , 效率会非常低。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 相比于 Hashtable 做出了重大改进，它把锁的粒度细化了。（下图的改进是基于 Java 8 的）

此时每个桶一把锁，访问不同链表的元素，就不会产生锁竞争了；并且一个哈希表上面的桶的个数可能会非常多，这就进一步使锁冲突的概率大大降低了（稀释了）。

总结 ConcurrentHashMap 的优化策略 ：

把锁的粒度细化了，给每个哈希桶都加上一把锁（链表的头结点），降低了锁冲突的概率。

读不加锁，写才加锁。

读操作没有加锁，目的是为了进一步降低锁冲突的概率。为了保证读到刚修改的数据, 搭配了

volatile 关键字。 

在维护 size 的时候，使用 CAS 机制，又进一步降低了锁冲突。

针对扩容场景做出了优化：化整为零

发现需要扩容的线程，只需要创建一个新的数组，同时只搬几个元素过去。扩容期间，新旧数组同时存在。后续每个来操作 ConcurrentHashMap 的线程, 都会参与搬家的过程，每个操作负责搬运一小部分元素。搬完最后一个元素再把旧数组删掉。这个期间，插入只往新数组加增加，查找需要同时查新数组和旧数组。
而 Hashtable，HashMap 它们在某次 put 的时候，触发扩容，由这个 put 完成整个扩容操作，就巨慢无比，非常低效！！

在 Java 8 之前，此处的 ConcurrentHashMap 并不是每个桶加锁，而是"分段锁"，若干个桶一把锁，类似下图：

HashMap 中 key 允许为 null ，Hashtable 和 ConcurrentHashMap 不允许

JUC的Callable()创建线程

普通的线程代码, 之前都是用的thread或者runnable接口

public class demo01 {public static void main(String[] args) {ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();threadDemo.start();new Thread(new ThreadDemo2()).start();}
}class ThreadDemo extends Thread{@Overridepublic void run() {System.out.println("普通线程已开启（继承Thread）");}
}
class ThreadDemo2 implements Runnable{@Overridepublic void run() {System.out.println("普通线程已开启(实现Runnable接口)");}
}

使用FutureTask+Callable创建多线程的方式

  1. 可以有返回值
  2. 可以抛出异常
  3. 方法不同, run() => call()

public class CallableTest {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyThread());new Thread(futureTask,"a").start();System.out.println(futureTask.get());}
}class MyThread implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {System.out.println("call()方法被调用了");return 1024;}
}

JUC中的tools(工具类/辅助类)

CountDownLatch

countDownLatch.countDown(); //数量减1

countDownLatch.await();// 等待计数器归零,然后再向下执行

每次有线程调用countDown()数量-1,假设计数器变为0,countDownLatch.await();就会被唤醒,继续执行

//计数器
public class demo02 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//相当于计数器CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);//计数器总数是5,当减少为0,任务才继续向下执行for (int i = 1; i <6 ; i++) {new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==>start");countDownLatch.countDown();}).start();}countDownLatch.await();System.out.println("main线程继续向下执行");}
}

cyclicBarrier

public class CyclicBarrierDemo {public static void main(String[] args) {/*** 集齐77个龙珠召唤神龙*/// 召唤龙珠的线程CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7, ()->{System.out.println("召唤神龙成功! ");});for (int i = 0; i < 7; i++) {int temp = i;//lambda 能拿到i吗new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "收集" + temp + "个龙珠");try {cyclicBarrier.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

Semaphore

semaphore.acquire(); //获取信号量,假设如果已经满了,等待信号量可用时被唤醒

semaphore.release(); //释放信号量

作用: 多个共享资源互斥的使用!并发限流,控制最大的线程数

public class SemaphoreTest {public static void main(String[] args) {Semaphore semaphore = new Semaphore(3);for (int i = 0; i < 6; i++) {int temp = i;new Thread(()->{try {semaphore.acquire(); //获取System.out.println(temp + "号车抢到车位");TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {semaphore.release(); //释放System.out.println(temp + "号车离开车位");}}).start();}}
}

JUC下的阻塞队列

什么情况下我们会使用阻塞队列,多线程并发处理,线程池!
如何使用队列？
添加 移除
四组API，核心put()、take()

方式抛出异常不会抛出异常,有返回值阻塞等待超时等待
添加操作add()offer()供应put()offer(obj,int,timeunit.status)
移除操作remove()poll()获得take()poll(int,timeunit.status)
判断队列首部element()peek()偷看,偷窥
/*** 抛出异常*/public static void test1() {//队列的大小ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);System.out.println(queue.add("a"));System.out.println(queue.add("b"));System.out.println(queue.add("c"));//java.lang.IllegalStateException: Queue full//System.out.println(queue.add("d"));System.out.println("----------------------");System.out.println(queue.remove());System.out.println(queue.remove());System.out.println(queue.remove());//java.util.NoSuchElementExceptionSystem.out.println(queue.remove());//抛出异常}
   /*** 有返回值没有异常*/public static void test2(){ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);System.out.println(queue.offer("a"));System.out.println(queue.offer("b"));System.out.println(queue.offer("c"));
//        System.out.println(queue.offer("d"));       //offer 不抛出异常System.out.println(queue.poll());System.out.println(queue.poll());System.out.println(queue.poll());
//        System.out.println(queue.poll());   //null 不抛出异常}
    /*** 等待阻塞*/public static void test3() throws InterruptedException {ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(3);queue.put("a");queue.put("b");queue.put("c");
//        queue.put("c");  队列没有位置就会阻塞System.out.println(queue.take());System.out.println(queue.take());System.out.println(queue.take());}

SynchronousQueue同步队列
没有容量,
进去一个元素,必须等待取出来之后,才能再往里面放一个元素
put take


/*** 同步队列* 和其他的lockQueue 不一样， SynchronousQueue 不存储元素*/
public class SyncQueue {public static void main(String[] args) {SynchronousQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); //同步队列new Thread(()->{try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 1");synchronousQueue.put("1");System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 2");synchronousQueue.put("2");System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put 3");synchronousQueue.put("3");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}},"T1").start();new Thread(()->{try {TimeUnit.SECONDS.sleep(3);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());TimeUnit.SECONDS.sleep(3);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());TimeUnit.SECONDS.sleep(3);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + synchronousQueue.take());} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {}},"T2").start();}
}

运行结果

T1put 1
T2=>1
T1put 2
T2=>2
T1put 3
T2=>3

JUC下的类构建线程池

Executors

静态静态工厂方法，最终都是通过ThreadPoolExecutor类来完成的

 

这篇关于Java - JUC(java.util.concurrent)包详解，其下的锁、安全集合类、线程池相关、线程创建相关和线程辅助类、阻塞队列的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/476263。

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