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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
- AtomicBoolean
- AtomicInteger
- AtomicIntegerArray
- AtomicLong
- AtomicReference
- AtomicStampedReference
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
- ArrayBlockingQueue:基于数组实现的阻塞队列
- LinkedBlockingQueue :基于链表实现的阻塞队列
- PriorityBlockingQueue:基于堆实现的带有优先级的阻塞队列
- 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
- 如果多线程访问同一个 Hashtable 就会直接造成锁冲突.
- 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.
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
- 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, 新老数组同时存在.
- 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老数组删掉.
- 这个期间, 插入只往新数组加.
- 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:
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
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