Java并发编程实战指南：JUC核心类、线程池、线程安全集合与死锁破解

目录

Java并发编程

JUC核心类

ReentrantLock

 原子类

线程池

 ExecutorService 和 Executors

线程池的工作流程 

 信号量Semaphone

线程安全的集合类

多线程环境下使用ArrayList

多线程环境下使用队列

多线程环境下使用哈希表

hashtable 

 ConcurentHashMap

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死锁

死锁是什么？

如何避免死锁

Java并发编程

本篇文章主要向大家介绍一下Java并发编程中有关JUC核心类，线程池，线程安全的集合以及死锁的相关概念和解析。

JUC核心类

JUC即java.util.concurrent是Java的一个包，下面有非常多的并发编程相关的类。

ReentrantLock

概念：可重入互斥锁. 和 synchronized 定位类似, 都是用来实现互斥效果, 保证线程安全.

• lock(): 加锁, 如果获取不到锁就死等.
• trylock(超时时间): 加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁.
• unlock(): 解锁

• synchronized 是一个关键字, 是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现). ReentrantLock 是标准库的一个类, 在 JVM 外实现的(基于 Java 实现).
• 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.
• synchronized 在申请锁失败时, 会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.
• synchronized 是非公平锁, ReentrantLock 默认是非公平锁. 可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.
• 更强大的唤醒机制. synchronized 是通过 Object 的 wait / notify 实现等待-唤醒. 每次唤醒的是一个随机等待的线程. ReentrantLock 搭配 Condition 类实现等待-唤醒, 可以更精确控制唤醒某个指定的线程.  

// ReentrantLock 的构造方法
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

 如何选择使用哪个锁?

• 锁竞争不激烈的时候, 使用 synchronized, 效率更高, 自动释放更方便.
• 锁竞争激烈的时候, 使用 ReentrantLock, 搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为, 而不是死等.
• 如果需要使用公平锁, 使用 ReentrantLock.

 原子类

线程池

 ExecutorService 和 Executors

//ExecutorService 表示一个线程池实例. 
//Executors 是一个工厂类, 能够创建出几种不同风格的线程池. 
//ExecutorService 的 submit 方法能够向线程池中提交若干个任务.
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello");
   }
});

 Executors 创建线程池的几种方式 :

• newFixedThreadPool: 创建固定线程数的线程池
• newCachedThreadPool: 创建线程数目动态增长的线程池.
• newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池.
• newScheduledThreadPool: 设定 延迟时间后执行命令，或者定期执行命令. 是进阶版的 Timer.

 Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装.

线程池的工作流程 

 信号量Semaphone

 信号量, 用来表示 "可用资源的个数". 本质上就是一个计数器.

代码实例：

//创建 Semaphore 示例, 初始化为 4, 表示有 4 个可用资源. 
//acquire 方法表示申请资源(P操作), release 方法表示释放资源(V操作)
//创建 20 个线程, 每个线程都尝试申请资源, sleep 1秒之后, 释放资源. 观察程序的执行效果.
Semaphore semaphore = new Semaphore(4);
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("申请资源");
            semaphore.acquire();
            System.out.println("我获取到资源了");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("我释放资源了");
            semaphore.release();
       } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
       }
   }
};
for (int i = 0; i < 20; i++) {
    Thread t = new Thread(runnable);
    t.start();
}

线程安全的集合类

java所提供的集合类大部分都不是线程安全的，但也有天生线程安全的集合类，比如：Vector，Stack，HashTable。

我们可以灵活的使用synchronized或者ReentrantLock来给集合类实现加锁，以此来达成线程安全的目的。

多线程环境下使用ArrayList

synchronizedList 是标准库提供的一个基于 synchronized 进行线程同步的 List.

synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized

CopyOnWrite 容器即写时复制的容器。

当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行 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。

这样做的好处是我们可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。

所以 CopyOnWrite 容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

优点 :

在读多写少的场景下 , 性能很高 , 不需要加锁竞争 .

缺点 :

1. 占用内存较多 .

2. 新写的数据不能被第一时间读取到 .

多线程环境下使用队列

1. ArrayBlockingQueue：基于数组实现的阻塞队列
2. LinkedBlockingQueue ：基于链表实现的阻塞队列
3. PriorityBlockingQueue：基于堆实现的带有优先级的阻塞队列
4. TransferQueue：最多只包含一个元素的阻塞队列

多线程环境下使用哈希表

hashtable 

 ConcurentHashMap

• 读操作没有加锁(但是使用了 volatile 保证从内存读取结果), 只对写操作进行加锁. 加锁的方式仍然是是用 synchronized, 但是不是锁整个对象, 而是 "锁桶" (用每个链表的头结点作为锁对象), 大大降低了锁冲突的概率.
• 充分利用 CAS 特性. 比如 size 属性通过 CAS 来更新. 避免出现重量级锁的情况.
• 优化了扩容方式: 化整为零

1. 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.
2. 扩容期间, 新老数组同时存在.
3. 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.
4. 搬完最后一个元素再把老数组删掉.
5. 这个期间, 插入只往新数组加.
6. 这个期间, 查找需要同时查新数组和老数组.

死锁

死锁是什么？

针对死锁的形成，最著名的就是“哲学家就餐问题”：

 有个桌子, 围着一圈 哲学家, 桌子中间放着一盘意大利面. 每个哲学家 两两之间, 放着一根筷子.每个 哲学家 只做两件事: 思考人生 或者 吃面条. 思考人生的时候就会放下筷子. 吃面条就会拿起左右两边的筷子(先拿起左边, 再拿起右边).如果 哲学家 发现筷子拿不起来了(被别人占用了), 就会阻塞等待.假设同一时刻, 五个 哲学家 同时拿起左手边的筷子, 然后再尝试拿右手的筷子, 就会发现右手的筷子都被占用了. 由于 哲学家 们互不相让, 这个时候就形成了 死锁。

 死锁是一种严重的bug，导致一个程序的线程卡死，无法正常工作。

如何避免死锁

 锁产生的四个必要条件：

1. 互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用
2. 不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。
3. 请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。
4. 循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。