14.Java 之 JUC

Sherwin.Wei Lv7
  2018-07-18 11:23:36 2018-07-18 11:23:36 Created   2019-07-03 11:26:01 2019-07-03 11:26:01 Updated      

Java 之 JUC

1. JUC 简介

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;还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现等;

2. volatile 关键字

  • volatile 关键字: 当多个线程进行操作共享数据时,可以保证内存中的数据是可见的;相较于 synchronized 是一种
    较为轻量级的同步策略;
  • volatile 不具备”互斥性”;
  • volatile 不能保证变量的”原子性”; 
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    // 使用 volatile 之前
    public class TestVolatile{

        public static void main(String[] args){
            ThreadDemo td = new ThreadDemo();
            new Thread(td).start();

            while(true){
                if(td.isFlag()){
                    System.out.println("########");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    class ThreadDemo implements Runnable{
        private boolean flag = false;

        public void run(){
            try{
                // 该线程 sleep(200), 导致了程序无法执行成功
                Thread.sleep(200);
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }

            flag = true;

            Sytem.out.println("flag="+isFlag());
        }

        public boolean isFlag(){
            return flag;
        }

        public void setFlag(boolean flag){
            this.flag = flag;
        }
    }
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// 解决问题方式一: 同步锁
//   但是,效率太低
public class TestVolatile{

    public static void main(String[] args){
        ThreadDemo td = new ThreadDemo();
        new Thread(td).start();


        while(true){
            // 使用同步锁
            synchronized(td){
                if(td.isFlag()){
                    System.out.println("########");
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

// 解决方式二: 使用 volatile 关键字
public class TestVolatile{

    public static void main(String[] args){
        ThreadDemo td = new ThreadDemo();
        new Thread(td).start();

        while(true){
            if(td.isFlag()){
                System.out.println("########");
                break;
            }
        }
    }
}

class ThreadDemo implements Runnable{
    private volatile boolean flag = false;

    同上(略)
}

3. i++ 的原子性问题

i++的操作实际上分为三个步骤: “读-改-写”;

  • 原子性: 就是”i++”的”读-改-写”是不可分割的三个步骤;
  • 原子变量: JDK1.5 以后, java.util.concurrent.atomic包下,提供了常用的原子变量;
  • 原子变量中的值,使用 volatile 修饰,保证了内存可见性;
    CAS(Compare-And-Swap) 算法保证数据的原子性;
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int i = 10;
i = i++;  // 此时, i=10

执行步骤:
int temp = i;
i = i + 1;
i = temp;

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// 测试类
public class TestAtomicDemo{
    public static void main(String[] args){

        AtomicDemo ad = new AtomicDemo();

        for(int i=0; i < 10; i++){
            new Thread(ad).start();
        }
    }
}

class AtomicDemo implements Runnable{
    private int serialNumber = 0;

    public void run(){

        try{
            Thread.sleep(200);
        }catch(InterruptedException e){

        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + getSerialNumber());
    }

    public int getSerialNumber(){
        return serialNumber++;
    }
}


// 改进: 使用原子变量
class AtomicDemo implements Runnable{

    private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger();

    public void run(){
        try{
            Thread.sleep(200);
        }catch(InterruptedException e){

        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+getSerialNumber());
    }

    public int getSerialNumber(){
        // 自增运算
        return serialNumber.getAndIncrement();
    }
}

3.1 CAS 算法

CAS(Compare-And-Swap) 算法是硬件对于并发的支持,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 包含了三个操作数:
  • 需要读写的内存值: V
  • 进行比较的预估值: A
  • 拟写入的更新值: B
    当且仅当 V == A 时, V = B, 否则,将不做任何操作;
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// 模拟CAS 算法
class CompareAndSwap{
    private int value;

    // 获取内存值
    public synchronized int get(){
        return value;
    }

    // 无论更新成功与否,都返回修改之前的内存值
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
        // 获取旧值
        int oldValue = value;

        if(oldValue == expectedValue){
            this.value = newValue;
        }

        // 返回修改之前的值
        return oldValue;
    }

    // 判断是否设置成功
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
        return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
    }
}

public class TestCompareAndSwap{
    public static void main(String[] args){
        final CopareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

        for(int i=0; i<10; i++){
            // 创建10个线程,模拟多线程环境
            new Thead(new Runnable(){
                public void run(){
                    int expectedValue = cas.get();

                    boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random()*100));
                    System.out.println(b);
                }
            }).start();
        }
    }
}

4. 并发容器类

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;

4.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 同步容器类是 Java5 增加的一个线程安全的哈希表;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;

4.2 CountDownLatch(闭锁)

CountDownLatch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;

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// 测试类: 计算多线程的执行时间
public class TestCountDownLatch{
    public static void main(String[] args){
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
        LatchDemo ld = new LatchDemo(latch);

        long start = System.currentTimeMillis();

        // 创建10个线程
        for(int i=0; i<10; i++){
            new Thread(ld).start();
        }

        try{
            latch.await();
        }catch(InterruptedException e){

        }

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("耗费时间为:"+(end - start));

    }
}

class LatchDemo implements Runnable{
    private CountDownLatch latch;

    // 有参构造器
    public LatchDemo(CountDownLatch latch){
        this.latch = latch;
    }

    public void run(){

        synchronized(this){
            try{
                // 打印50000以内的偶数
                for(int i=0; i<50000; i++){
                    if(i % 2 == 0){
                        System.out.println(i);
                    }
                }
            }finally{
                // 线程数量递减
                latch.countDown();
            }
        }
    }
}

5. 创建执行线程的方式三

相较于实现 Runnable 接口的方式,实现 Callable 接口类中的方法可以有返回值,并且可以抛出异常;

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// 测试类
public class TestCallable{
    public static void main(String[] args){

        ThreadDemo td = new ThreadDemo();

        // 执行 Callable 方式,需要 FutureTask 实现类的支持
        // FutureTask 实现类用于接收运算结果, FutureTask 是 Future 接口的实现类
        FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(td);

        new Thread(result).start();

        // 接收线程运算后的结果
        try{
            // 只有当 Thread 线程执行完成后,才会打印结果;
            // 因此, FutureTask 也可用于闭锁
            Integer sum = result.get();
            System.out.println(sum);
        }catch(InterruptedException | ExecutionException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class ThreadDemo implements Callable<Integer>{

    // 需要实现的方法
    public Integer call() throws Exception{
        // 计算 0~100 的和
        int sum = 0;

        for(int i=0; i<=100; i++){
            sum += i;
        }

        return sum;
    }
}

6. 同步锁(Lock)

参考 “java 多线程间通信”

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// 测试类: 以卖票为例
// 使用 lock 之前
public class TestLock{
    public static void main(String[] args){
        Ticket ticket = new Ticket();

        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 tick = 100;

    public void run(){
        while(true){
            if(tick > 0){
                try{
                    Thread.sleep(200);
                }catch(InterruptedException e){

                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成售票,余票为: "+ --tick);
            }
        }
    }
}

// 使用 Lock
class Ticket implements Runnable{

    private int tick = 100;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void run(){
        while(true){
            // 上锁
            lock.lock();

            try{
                if(tick > 0){
                    try{
                        Thread.sleep(200);
                    }catch(InterruptedException e){

                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成售票,余票为: "+ --tick);
                }
            }finally{
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
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// 练习: 程序按序交替
// 编写一个程序,开启3个线程,这三个线程的 ID 分别为 A, B, C, 每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印10遍,
// 要求输出的结果必须按顺序显示:
// 如: ABCABCABC... 依次递归

public class TestABCAlternate{
    public static void main(String[] args){
        AlternateDemo ad = new AlternateDemo();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                for(int i=1; i<20; i++){
                    ad.loopA(i);
                }
            }
        },"A").start();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                for(int i=1; i<20; i++){
                    ad.loopB(i);
                }
            }
        },"B").start();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                for(int i=1; i<20; i++){
                    ad.loopC(i);

                    System.out.println("--------------------");
                }
            }
        },"C").start();
    }
}

class AlternateDemo{

    private int number = 1; // 当前正在执行线程的标记

    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();

    // totalLoop 表示循环第几轮
    // 线程A
    public void loopA(int totalLoop){
        // 上锁
        lock.lock();

        try{
            // 1. 判断
            if(number != 1){
                condition1.await();
            }

            // 2. 打印
            for(int i=1; i <= 5; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
            }

            // 3. 唤醒线程B
            number = 2;
            condition2.signal();

        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    // 线程B
    public void loopB(int totalLoop){
        // 上锁
        lock.lock();

        try{
            // 1. 判断
            if(number != 2){
                condition2.await();
            }

            // 2. 打印
            for(int i=1; i <= 15; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
            }

            // 3. 唤醒线程C
            number = 3;
            condition3.signal();

        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    // 线程C
    public void loopC(int totalLoop){
        // 上锁
        lock.lock();

        try{
            // 1. 判断
            if(number != 3){
                condition3.await();
            }

            // 2. 打印
            for(int i=1; i <= 20; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
            }

            // 3. 唤醒线程A
            number = 1;
            condition1.signal();

        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

7. ReadWriteLock(读写锁)

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// 测试类
public class TestReadWriteLock{

    public static void main(String[] args){
        ReadWriteLockDemo rw = new ReadWriteLockDemo();

        // 一个线程进行写
        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                rw.set((int)(Math.random()*100));
            }
        },"Write:").start();

        // 100个线程进行读操作
        for(int i=0; i<100; i++){
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    rw.get();
                }
            },"Read:").start();
        }
    }

}

class ReadWriteLockDemo{
    private int number = 0;

    private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();



    // 读
    public void get(){
        lock.readLock().lock(); // 上锁

        try{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+number);
        }finally{
            lock.readLock().unlock(); // 释放锁
        }
    }

    // 写
    public void set(int number){

        lock.writeLock().lock();

        try{    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());

            this.number = number;
        }finally{
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

8. 线程八锁

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// 测试类
public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Demo demo = new Demo();

        Demo demo2 = new Demo();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                demo.getOne();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run(){

                // demo2.getTwo();
                demo.getTwo();
            }
        }).start();
    }
}

class Demo{
    public synchronized void getOne(){
        try{
            Thread.sleep(3000);
        }catch(InterruptedException e){

        }

        System.out.println("one");
    }

    public synchronized void getTwo(){
        System.out.println("two");
    }

}

/*
 * 1. 两个普通同步方法,两个线程,标准打印, 打印输出: one  two
 * 2. 新增 Thread.sleep() 给 getOne(), 打印输出: one  two
 * 3. 新增普通方法 getThree(), 打印输出: three  one  two
 * 4. 两个普通同步方法,两个Demo对象, 两个线程,打印输出: two  one
 * 5. 修改 getOne() 为静态同步方法, 一个Demo对象, 打印输出: two  one
 * 6. 修改两个方法都为静态同步方法, 一个 Demo 对象, 打印输出: one  two
 * 7. 修改 getone() 为静态同步方法, 两个 Demo 对象, 打印输出: two  one
 * 8. 两个均为静态同步方法,两个 Demo 对象,打印输出: one  two
 */

 // 总结:
 //    1. 非静态方法的锁默认为 this, 静态方法的锁为 "对应的Class实例";
 //    2. 在某一个时刻内,只能有一个线程持有锁,无论几个方法;

9. 线程池

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;
避免了创建与销毁线程的额外开销,提高了响应速度;

  • 线程池的体系结构
  • java.util.concurrent.Executor: 负责线程的使用和调度的根接口;
  • ExecutorService: 子接口,线程池的主要接口;
  • ThreadPoolExecutor: 线程池的实现类;
  • ScheduledExecutorService: 子接口,负责线程的调度;
  • ScheduledThreadPoolExecutor: 继承了线程池的实现类,实现了负责线程调度的子接口;
  • 工具类: Executors
  • ExecutorService newFixedThreadPool(): 创建固定大小的线程池;
  • ExecutorService newCachedThreadPool(): 缓存线程池,线程池中线程的数量不固定,可以根据需求自动更改数量;
  • ExecutorService newSingleThreadExecutor(): 创建单个线程池, 线程池中只有一个线程;
  • ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(): 创建固定大小的线程,可以延时或定时的执行任务;
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public class TestThreadPool{
    public static void main(String[] args){
        // 1. 创建线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);

        ThreadPoolDemo tpd = new ThreadPoolDemo();

        // 2. 为线程池中线程分配任务
        //    submit(Callable<T> task)
        //    submit(Runnable task)

        for(int i=0; i<10; i++){
            pool.submit(tpd);
        }

        // 3. 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

class ThreadPoolDemo implements Runnable{

    private int i=0;

    public void run(){
        while(i <= 100){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+ i++)
        }
    }
}

9.1 线程调度

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public class TestScheduledThreadPool{

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 1. 创建线程池
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(5);

        // 2. 分配任务
        //      pool.shedule(Callalbe<T> callable, long delay, TimeUnit unit(时间单位))

        for(int i=0; i < 10; i++){
            Future<Integer> result = pool.schedule(new Callable<Integer>(){

                public Integer call() throws Exception{
                        // 产生100以内的随机数
                        int num = new Random().nextInt(100);

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ":" + num);

                        return num;
                    }
                }, 3, TimeUnit.SECONDS);

                System.out.println(result.get());
        }

        //3. 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

10 Fork/Join 框架

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public class TestForkJoinPool{
    public static void main(String[] args){
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

        ForkJoinTask<Long> task = new ForkJoinSumCalculate(0L, 100000000L);

        Long sum = pool.invoke(task);

        System.out.println(sum);
    }

}

class ForkJoinSumCalculate extends RecursiveTask<Long>{

    private static final long serialVersionUID = 24340990L;

    private long start;
    private long end;

    private static final long THURSHOLD = 10000L;  // 拆分临界值

    // 有参构造器
    public ForkJoinSumCalculate(long start, long end){
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    public 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);
            left.fork(); // 进行拆分,同时压入线程队列

            ForkJoinSumCalculate right = new ForkJoinSumCalculate(middle + 1, end);
            right.fork(); // 进行拆分,同时压入线程队列

            return left.join() + right.join();
        }
    }
}
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14.Java 之 JUC
  1. Java 之 JUC
    1. 1. JUC 简介
    2. 2. volatile 关键字
    3. 3. i++ 的原子性问题
      1. 3.1 CAS 算法
    4. 4. 并发容器类
      1. 4.1 ConcurrentHashMap
      2. 4.2 CountDownLatch(闭锁)
    5. 5. 创建执行线程的方式三
    6. 6. 同步锁(Lock)
    7. 7. ReadWriteLock(读写锁)
    8. 8. 线程八锁
    9. 9. 线程池
      1. 9.1 线程调度
    10. 10 Fork/Join 框架