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

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

java 复制代码

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：
java 复制代码
  	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
    }
 

java 复制代码

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 Methods | Condition ||
| 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）

java 复制代码

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

java 复制代码

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 复制代码

//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

java 复制代码

/**
 * 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

java 复制代码

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

java 复制代码

public class demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        threadDemo.start();
        new Thread(new ThreadDemo2()).start();
    }
}

class ThreadDemo extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("普通线程已开启（继承Thread）");
    }
}
class ThreadDemo2 implements Runnable{

    @Override
    public 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

可以有返回值

可以抛出异常

方法不同, run() => call()

java 复制代码

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> {


    @Override
    public 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

java 复制代码

//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

java 复制代码

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

java 复制代码

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 | | |

java 复制代码

   /**
     * 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.NoSuchElementException
        System.out.println(queue.remove());
        //抛出异常

    }

java 复制代码

   /**
     * 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
    }

java 复制代码

    /**
     * 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

java 复制代码

/**
 * 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

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

JUC是什么？

Java中线程有六个状态

JUC的结构

synchronized和JUC的Lock

reentrantLock

Condition

JUC下的读写锁ReentrantReadWriteLock

不安全的集合类和JUC的collections

**list 不安全-**CpoyOnWriteArrayList

set 不安全-CopyOnWriteArraySet

**HashMap不安全-**ConcurrentHashMap

JUC的Callable()创建线程

JUC中的tools(工具类/辅助类)

CountDownLatch

cyclicBarrier

JUC下的阻塞队列

JUC下的类构建线程池

list 不安全-CpoyOnWriteArrayList

HashMap不安全-ConcurrentHashMap