Java多线程编程总结

Java并发编程

在 Java 5.0 提供了 java.util.concurrent （简称JUC ）包，在此包中增加了在并发编程中很常用的实用工具类，用于定义类似于线程的自定义子系统，包括线程池、异步 IO 和轻量级任务框架。提供可调的、灵活的线程池。还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现等。

volatile

内存可见性

• 内存可见性（Memory Visibility）是指当某个线程正在使用对象状态而另一个线程在同时修改该状态，需要确保当一个线程修改了对象状态后，其他线程能够看到发生的状态变化。
• 可见性错误是指当读操作与写操作在不同的线程中执行时，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。
• 我们可以通过同步来保证对象被安全地发布。除此之外我们也可以使用一种更加轻量级的 volatile 变量。

volatile关键字

Java 提供了一种稍弱的同步机制，即 volatile 变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。
可以将 volatile 看做一个轻量级的锁，但是又与锁有些不同：
- 对于多线程，不是一种互斥关系
- 不能保证变量状态的“原子性操作”

        /**         * volatile关键字:当多个线程进行操作共享数据时,可以保证内存中数据可见.         * 相较于synchronized是一种较为轻量级的同步策略.         * volatile特点:         * 1.volatile不具备互斥性         * 2.volatile不能保证变量的"原子性"         */        public class TestVolatile {            public static void main(String[] args) {                ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();                //启动线程                new Thread(threadDemo).start();                while (true) {        //          synchronized (threadDemo) {                        if (threadDemo.isFlag()) {                            System.out.println("main======");                            break;                        }        //          }                }            }        }        class ThreadDemo extends Thread{            //标记            private volatile boolean flag = false;            public void run(){                try {                    //线程睡眠                    Thread.sleep(500);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                //修改标记                flag = true;                System.out.println(getName() + ": flag= " + isFlag());            }            public boolean isFlag() {                return flag;            }            public void setFlag(boolean flag) {                this.flag = flag;            }        }

CAS算法

CAS 算法

CAS (Compare-And-Swap) 是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。
- CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现。
- CAS 包含了 3 个操作数：
- 需要读写的内存值 V
- 进行比较的值 A
- 拟写入的新值 B
- 当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作。

原子变量

类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。事实上，此包中的类可将 volatile 值、字段和数组元素的概念扩展到那些也提供原子条件更新操作的类。
- 类 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference 的实例各自提供对
相应类型单个变量的访问和更新。每个类也为该类型提供适当的实用工具方法。
- AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray 类进一步扩展了原子操作，对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供 volatile 访问语义方面也引人注目，这对于普通数组来说是不受支持的。
- 核心方法：boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue)
- java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作的常用类:
- AtomicBoolean 、AtomicInteger 、AtomicLong 、 AtomicReference
- AtomicIntegerArray 、AtomicLongArray
- AtomicMarkableReference
- AtomicReferenceArray
- AtomicStampedReference

    /**         * i++ 原子性问题:         * i++ 操作分为三步骤:"读-改-写"         *  int temp = i;         *  i = i + 1;         *  i = temp;         *          * 原子变量:jdk1.5后java.util.concurrent.atomic 包下提供了常用的原子变量:         *  1.volatile 保证内存可见性         *  2.CAS(Compare-And-Swap)算法保证数据的原子性,         *      CAS算法是硬件对于并发操作共享数据的支持         *      CAS包含了三个操作数:         *          内存值 V         *          预估值 A         *          更新值 B         *      当且仅当 V == A 时,V = B,否则,将不进行任何操作         */        public class TestAtomicDemo {            public static void main(String[] args) {                AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo();                //多个线程执行                for (int i = 0; i < 10; i++) {                    new Thread(atomicDemo).start();                }            }        }        class AtomicDemo implements Runnable {        //  private int num = 0;            private AtomicInteger num = new AtomicInteger();            @Override            public void run() {                try {                    Thread.sleep(200);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :" + getNum());            }            public int getNum() {                return num.getAndIncrement();            }        }

ConcurrentHashMap 锁分段机制

• Java 5.0 在 java.util.concurrent 包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。
• ConcurrentHashMap 同步容器类是Java 5 增加的一个线程安全的哈希表。对与多线程的操作，介于 HashMap 与 Hashtable 之间。内部采用“锁分段”机制替代 Hashtable 的独占锁。进而提高性能。
• 此包还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现：
  ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet、CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet。当期望许多线程访问一个给定 collection 时，ConcurrentHashMap 通常优于同步的 HashMap，ConcurrentSkipListMap 通常优于同步的 TreeMap。当期望的读数和遍历远远大于列表的更新数时，CopyOnWriteArrayList 优于同步的 ArrayList。

        /**         * CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet "写入复制"         * 注意:添加操作多时,效率低,因为每次添加时都会进行复制,开销非常大.         */        public class TestCopyOnWriterArrayList {            public static void main(String[] args) {                CurrentThread currentThread = new CurrentThread();                for (int i = 0; i < 10; i++) {                    new Thread(currentThread).start();                }            }        }        class CurrentThread implements Runnable{        //  private static List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());            private static CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();             static{                list.add("a");                list.add("b");                list.add("c");            }            @Override            public void run() {                Iterator<String> iterator = list.iterator();                while (iterator.hasNext()) {                    System.out.println(iterator.next());                    list.add("m");                }            }        }

CountDownLatch 闭锁

• Java 5.0 在 java.util.concurrent 包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。
• CountDownLatch 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。
• 闭锁可以延迟线程的进度直到其到达终止状态，闭锁可以用来确保某些活动直到其他活动都完成才继续执行：
  
  • 确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行;
  • 确保某个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动;
  • 等待直到某个操作所有参与者都准备就绪再继续执行。

        /**         *  CountDownLatch,闭锁:在完成某些运算时,只有其他所有线程的运算全部完成,当前运算才能继续执行         */        public class TestCountDownLatch {            public static void main(String[] args) {                CountDownLatch latch = new CountDownLatch(6);                LatchDemo latchDemo = new LatchDemo(latch);                long start = System.currentTimeMillis();                for (int i = 0; i < 6; i++) {                    new Thread(latchDemo).start();                }                try {                    //等待                    latch.await();                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                long end = System.currentTimeMillis();                System.out.println("消费时间为: " + (end - start));            }        }        class LatchDemo implements Runnable{            private CountDownLatch latch ;            public LatchDemo(CountDownLatch latch) {                this.latch = latch;            }            @Override            public void run() {                synchronized (this) {                    try {                        for (int i = 0; i < 10000; i++) {                            if (i%2 == 1) {                                System.out.println(i);                            }                        }                    } finally {                        //减1                        latch.countDown();                    }                }            }        }

实现 Callable 接口创建线程

• Java 5.0 在 java.util.concurrent 提供了一个新的创建执行线程的方式：Callable 接口
• Callable 接口类似于 Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常。
• Callable 需要依赖FutureTask ，FutureTask 也可以用作闭锁。

        /**         * 实现Callable接口创建执行线程,相较于实现Runnable接口的方式,方法有返回值,并且可以抛出异常         * 执行Callable方式,需要FutureTask实现类的支持,用于接收运算结果.FutureTask是Future的实现类.         */        public class TestCallable {            public static void main(String[] args) {                CallableDemo cd = new CallableDemo();                //创建FutureTask,用于接收结果                FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(cd);                //执行线程                new Thread(result).start();                try {                    //获取返回值,FutureTask可用于闭锁                    Integer sum = result.get();                    System.out.println("从0到100的总和是:"+sum);                } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {                    e.printStackTrace();                }            }        }        class CallableDemo implements Callable<Integer>{            @Override            public Integer call() throws Exception {                int sum = 0;                for (int i = 0; i <= 100; i++) {                    System.out.println(i);                    sum += i;                }                return sum;            }        }

Lock 同步锁

• 在 Java 5.0 之前，协调共享对象的访问时可以使用的机制只有 synchronized 和 volatile 。Java 5.0 后增加了一些新的机制，但并不是一种替代内置锁的方法，而是当内置锁不适用时，作为一种可选择的高级功能。
• ReentrantLock 实现了 Lock 接口，并提供了与synchronized 相同的互斥性和内存可见性。但相较于synchronized 提供了更高的处理锁的灵活性。

        /**         * 用于解决多线程问题方式:         * 1.同步代码块         * 2.同步方式         * 3.同步锁(jdk1.5之后)         * Lock是一个显示锁,需要通过lock()方法上锁,必须通过unlock()方法进行释放锁.         */        public class TestLock {            public static void main(String[] args) {                Ticket ticket = new Ticket();                //三个窗口同时卖票                new Thread(ticket,"1号窗口").start();;                new Thread(ticket,"2号窗口").start();;                new Thread(ticket,"3号窗口").start();;            }        }        class Ticket implements Runnable{            private int ticket = 100;            //lock锁            private Lock lock = new ReentrantLock();            @Override            public void run() {                //上锁                lock.lock();                try {                    while (true) {                        if (ticket > 0) {                            Thread.sleep(10);                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票,还剩" + --ticket + "张票");                        }                     }                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                } finally{                    //释放锁                    lock.unlock();                }            }        }

Condition 控制线程通信

• Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似，但提供了更强大的功能。需要特别指出的是，单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题，Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。
• 在 Condition 对象中，与 wait、notify 和 notifyAll 方法对应的分别是await、signal 和 signalAll。
• Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。要为特定 Lock 实例获得Condition 实例，请使用其 newCondition() 方法。

        /**         * 生产者和消费者         * 等待唤醒机制          * 虚假唤醒问题         * 使用Lock和Condition          */        public class TestProductAndCustomerForLock {            public static void main(String[] args) {                Clerk clerk = new Clerk();                Product product = new Product(clerk);                Consumer consumer = new Consumer(clerk);                new Thread(product,"生产者A").start();                new Thread(consumer,"消费者B").start();;            }        }        /**         * 店员         */        class Clerk {            private int product = 0;            //新建锁            private Lock lock = new ReentrantLock();            //新建condition            private Condition condition = lock.newCondition();            //进货            public void get(){                //上锁                lock.lock();                try {                    while (product >= 10) { //为了避免虚假唤醒问题,应该总是使用在循环中                        System.out.println("产品已满!");                        try {                            //等待                            condition.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ++product);                    //唤醒                    condition.signalAll();                } finally{                    //释放锁                    lock.unlock();                }            }            //卖货            public void sell(){                //上锁                lock.lock();                try {                    while (product <= 0) {//为了避免虚假唤醒问题,应该总是使用在循环中                        System.out.println("缺货!");                        try {                            //等待                            condition.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"+ --product);                    //唤醒                    condition.signalAll();                } finally{                    //释放锁                    lock.unlock();                }            }        }        /**         * 生产者         */        class Product implements Runnable{            private Clerk clerk;            public Product(Clerk clerk) {                this.clerk = clerk;            }            @Override            public void run() {                for (int i = 0; i < 20; i++) {                    try {                        Thread.sleep(100);                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                    //店员进货                    clerk.get();                }            }        }        /**         * 消费者         */        class Consumer implements Runnable{            private Clerk clerk;            public Consumer(Clerk clerk) {                this.clerk = clerk;            }            @Override            public void run() {                for (int i = 0; i < 20; i++) {                    //店员卖货                    clerk.sell();                }            }        }

ReadWriteLock 读写锁

• ReadWriteLock 维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。只要没有 writer，读取锁可以由多个 reader 线程同时保持。写入锁是独占的。。
• ReadWriteLock 读取操作通常不会改变共享资源，但执行写入操作时，必须独占方式来获取锁。对于读取操作占多数的数据结构。 ReadWriteLock 能提供比独占锁更高的并发性。而对于只读的数据结构，其中包含的不变性可以完全不需要考虑加锁操作。

        /**         * ReadWriteLock:读写锁         * 写写/读写 需要"互斥"         * 读读 不需要"互斥"         */        public class TestReadWriteLock {            public static void main(String[] args) {                final ReadWriteLockDemo rwld = new ReadWriteLockDemo();                //写                new Thread(new Runnable() {                    @Override                    public void run() {                        rwld.write((int)Math.random()*101);                    }                },"write : ").start();                //读                for (int i = 0; i < 100; i++) {                    new Thread(new Runnable() {                        @Override                        public void run() {                            rwld.read();                        }                    },"read: ").start();;                }            }        }        class ReadWriteLockDemo {            private int num = 0;            //创建读写锁            private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();            //读            public void read(){                //上锁                lock.readLock().lock();                try {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+num);                } finally{                    //释放锁                    lock.readLock().unlock();                }            }            //写            public void write(int num){                //上锁                lock.writeLock().lock();                try {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num);                    this.num = num;                } finally{                    //释放锁                    lock.writeLock().unlock();                }            }        }

线程池Executor

• 第四种获取线程的方法：线程池，一个 ExecutorService，它使用可能的几个池线程之一执行每个提交的任务，通常使用 Executors 工厂方法配置。
• 线程池可以解决两个不同问题：由于减少了每个任务调用的开销，它们通常可以在执行大量异步任务时提供增强的性能，并且还可以提供绑定和管理资源（包括执行任务集时使用的线程）的方法。每个 ThreadPoolExecutor 还维护着一些基本的统计数据，如完成的任务数。
• 为了便于跨大量上下文使用，此类提供了很多可调整的参数和扩展钩子 (hook)。但
  是，强烈建议程序员使用较为方便的 Executors 工厂方法 ：
  
  • Executors.newCachedThreadPool()（无界线程池，可以进行自动线程回收）
  • Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小线程池）
  • Executors.newSingleThreadExecutor()（单个后台线程）
    它们均为大多数使用场景预定义了设置。

        /**         * 线程池:提供了一个线程队列,队列中保存着所有等待状态的线程.避免了创建与销毁额外开销,提高响应的速度         * 线程池体系结构:         * java.util.concurrent.Executor:负责线程的使用与调度的根接口         *      |--ExcutorExecutor 子接口:线程池的主要接口         *          |--ThreadPoolExecutor:实现类         *          |--ScheduledExecutorService 子接口:负责线程的调度         *              |--ScheduledThreadPoolExecutor:继承ThreadPoolExecutor,实现ScheduleExecutorService         *          * 工具类:Executors         * ExecutorService newFixedThreadPool():创建固定大小的连接池         * ExecutorService newCachedThreadPool():缓存线程池,线程池的数量不固定,可以根据需求自动的更改数量         * ExecutorService newSingleThreadPoolI):创建单个线程池,线程池中只有一个线程         *          * ScheduledThreadPoolExecutor newScheduledThreadPool():创建固定大小的线程池,可以延迟或者定时完成任务         */        public class TestThreadPool {            public static void main(String[] args) throws Exception {                //1.创建线程池                ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(6);                ThreadPoolDemo threadPoolDemo = new ThreadPoolDemo();                for (int i = 0; i < 5; i++) {                    //2.为线程池中线程分配任务                    pool.submit(threadPoolDemo);                }                //创建list接收Future                List<Future<Integer>> list = new ArrayList<>();                for (int i = 0; i < 5; i++) {                    //为线程池中线程分配任务                    Future<Integer> future = pool.submit(new Callable<Integer>() {                        @Override                        public Integer call() throws Exception {                            int sum = 0;                            for (int j = 0; j <= 100; j++) {                                sum += j;                            }                            return sum;                        }                    });                    list.add(future);                }                //3.关闭线程池                pool.shutdown();                for (Future<Integer> future : list) {                    System.out.println(future.get());                }            }        }        class ThreadPoolDemo implements Runnable{            private int i = 0;            @Override            public void run() {                while (i < 100) {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);                }            }        }

线程调度 ScheduledExecutorService

一个 ExecutorService，可安排在给定的延迟后运行或定期执行的命令。

        /**         * 调度线程池         */        public class TestScheduledThreadPoolExecutor {            public static void main(String[] args) throws Exception {                //创建调度线程池                ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(5);                for (int i = 0; i < 10; i++) {                    //线程调度                    ScheduledFuture<Integer> future = pool.schedule(new Callable<Integer>() {                        @Override                        public Integer call() throws Exception {                            int num = new Random().nextInt(100);                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num);                            return num;                        }                    }, 1, TimeUnit.SECONDS);                    System.out.println(future.get());                }                //关闭线程池                pool.shutdown();            }        }

ForkJoinPool 分支/合并框架 工作窃取

Fork/Join 框架：就是在必要的情况下，将一个大任务，进行拆分(fork)成若干个小任务（拆到不可再拆时），再将一个个的小任务运算的结果进行 join 汇总。

Fork/Join 框架与线程池的区别:
- 采用 “工作窃取”模式（work-stealing）：
当执行新的任务时它可以将其拆分分成更小的任务执行，并将小任务加到线程队列中，然后再从一个随机线程的队列中偷一个并把它放在自己的队列中。
- 相对于一般的线程池实现，fork/join框架的优势体现在对其中包含的任务的处理方式上.在一般的线程池中，如果一个线程正在执行的任务由于某些原因无法继续运行，那么该线程会处于等待状态。而在fork/join框架实现中，如果某个子问题由于等待另外一个子问题的完成而无法继续运行。那么处理该子问题的线程会主动寻找其他尚未运行的子问题来执行.这种方式减少了线程的等待时间，提高了性能。

        /**         * ForkJoinPool分支/合并框架         */        public class TestForkJoinPool {            public static void main(String[] args) {                //jdk1.8中的Instant                Instant start = Instant.now();                ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();                ForkJoinTask<Long> task = new ForkJoinSumCalculate(0L, 100000000L);                Long sum = pool.invoke(task);                System.out.println("结果: "+sum);                Instant end = Instant.now();                System.out.println("耗时: " + Duration.between(start, end).toMillis() + "秒");            }            /**             * java8 新特性             */            @Test            public void test(){                Instant start = Instant.now();                Long sum = LongStream.rangeClosed(0L, 100000000L)                         .parallel()                         .reduce(0L, Long::sum);                System.out.println("结果: "+sum);                Instant end = Instant.now();                System.out.println("耗时: " + Duration.between(start, end).toMillis() + "秒");            }        }        class ForkJoinSumCalculate extends RecursiveTask<Long>{            private static final long serialVersionUID = -2413341168893070665L;            private long start;            private long end;            //设置临界值            private static final long THURSHOLD = 10000L;            public ForkJoinSumCalculate(long start, long end) {                this.start = start;                this.end = end;            }            @Override            protected Long compute() {                long length = end -start;                if (length <= THURSHOLD ) {                    long sum = 0L;                    for (long i = start; i <= end; i++) {                        sum += i;                    }                    return sum;                } else {                    long middle = (start + end)/2;                    ForkJoinSumCalculate left = new ForkJoinSumCalculate(start,middle);                    //进行拆分,同时压入线程队列                    left.fork();                    ForkJoinSumCalculate right = new ForkJoinSumCalculate(middle+1, end);                    //进行拆分,同时压入线程队列                    right.fork();                    return left.join() + right.join();                }            }        }