JUC Java多线程开发利器
在Java中，线程部分是一个重点，本篇文章说的JUC也是关于线程的。JUC就是java.util .concurrent工具包的简称。这是一个处理线程的工具包，JDK 1.5开始出现的。下面一起来看看它怎么使用。 一、volatile关键字与内存可见性 1、内存可见性：先来看看下面的一段代码： public class TestVolatile { public static void main(String[] args){ //这个线程是用来读取flag的值的 ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(); Thread thread = new Thread(threadDemo); thread.start(); while (true){ if (threadDemo.isFlag()){ System.out.println("主线程读取到的flag = " + threadDemo.isFlag()); break; } } } } @Data class ThreadDemo implements Runnable{ //这个线程是用来修改flag的值的 public boolean flag = false; @Override public void run() { try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } flag = true; System.out.println("ThreadDemo线程修改后的flag = " + isFlag()); } } 这段代码很简单，就是一个ThreadDemo类继承Runnable创建一个线程。它有一个成员变量flag为false，然后重写run方法，在run方法里面将flag改为true，同时还有一条输出语句。然后就是main方法主线程去读取flag。如果flag为true，就会break掉while循环，否则就是死循环。按道理，下面那个线程将flag改为true了，主线程读取到的应该也是true，循环应该会结束。看看运行结果： 运行结果 从图中可以看到，该程序并没有结束，也就是死循环。说明主线程读取到的flag还是false，可是另一个线程明明将flag改为true了，而且打印出来了，这是什么原因呢？这就是内存可见性问题。 内存可见性问题：当多个线程操作共享数据时，彼此不可见。 看下图理解上述代码： 图解 要解决这个问题，可以加锁。如下： while (true){ synchronized (threadDemo){ if (threadDemo.isFlag()){ System.out.println("主线程读取到的flag = " + threadDemo.isFlag()); break; } } } 加了锁，就可以让while循环每次都从主存中去读取数据，这样就能读取到true了。但是一加锁，每次只能有一个线程访问，当一个线程持有锁时，其他的就会阻塞，效率就非常低了。不想加锁，又要解决内存可见性问题，那么就可以使用volatile关键字。 2、volatile关键字： 参考资料：sourl.cn/sx6zLt 用法： volatile关键字：当多个线程操作共享数据时，可以保证内存中的数据可见。用这个关键字修饰共享数据，就会及时的把线程缓存中的数据刷新到主存中去，也可以理解为，就是直接操作主存中的数据。所以在不使用锁的情况下，可以使用volatile。如下： public volatile boolean flag = false; 这样就可以解决内存可见性问题了。 volatile和synchronized的区别：volatile不具备互斥性(当一个线程持有锁时，其他线程进不来，这就是互斥性)。volatile不具备原子性。 二、原子性 1、理解原子性：上面说到volatile不具备原子性，那么原子性到底是什么呢？先看如下代码： public class TestIcon { public static void main(String[] args){ AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo(); for (int x = 0;x < 10; x++){ new Thread(atomicDemo).start(); } } } class AtomicDemo implements Runnable{ private int i = 0; public int getI(){ return i++; } @Override public void run() { try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(getI()); } } 这段代码就是在run方法里面让i++，然后启动十个线程去访问。看看结果： 运行结果 可以发现，出现了重复数据。明显产生了多线程安全问题，或者说原子性问题。所谓原子性就是操作不可再细分，而i++操作分为读改写三步，如下： int temp = i; i = i+1; i = temp; 所以i++明显不是原子操作。上面10个线程进行i++时，内存图解如下： 图解 看到这里，好像和上面的内存可见性问题一样。是不是加个volatile关键字就可以了呢？其实不是的，因为加了volatile，只是相当于所有线程都是在主存中操作数据而已，但是不具备互斥性。比如两个线程同时读取主存中的0，然后又同时自增，同时写入主存，结果还是会出现重复数据。 2、原子变量：JDK 1.5之后，Java提供了原子变量，在java.util.concurrent.atomic包下。原子变量具备如下特点： 有volatile保证内存可见性。 用CAS算法保证原子性。 3、CAS算法：CAS算法是计算机硬件对并发操作共享数据的支持，CAS包含3个操作数： 内存值V 预估值A 更新值B 当且仅当V==A时，才会把B的值赋给V，即V = B，否则不做任何操作。就上面的i++问题，CAS算法是这样处理的：首先V是主存中的值0，然后预估值A也是0，因为此时还没有任何操作，这时V=B，所以进行自增，同时把主存中的值变为1。如果第二个线程读取到主存中的还是0也没关系，因为此时预估值已经变成1，V不等于A，所以不进行任何操作。 4、使用原子变量改进i++问题：原子变量用法和包装类差不多，如下： //private int i = 0; AtomicInteger i = new AtomicInteger(); public int getI(){ return i.getAndIncrement(); } 只改这两处即可。 三、锁分段机制 参考资料：sourl.cn/sx6zLt JDK 1.5之后，在java.util.concurrent包中提供了多种并发容器类来改进同步容器类的性能。其中最主要的就是ConcurrentHashMap。 1、ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap就是一个线程安全的hash表。我们知道HashMap是线程不安全的，Hash Table加了锁，是线程安全的，因此它效率低。HashTable加锁就是将整个hash表锁起来，当有多个线程访问时，同一时间只能有一个线程访问，并行变成串行，因此效率低。所以JDK1.5后提供了ConcurrentHashMap，它采用了锁分段机制。 ConcurrentHashMap锁分段 如上图所示，ConcurrentHashMap默认分成了16个segment，每个Segment都对应一个Hash表，且都有独立的锁。所以这样就可以每个线程访问一个Segment，就可以并行访问了，从而提高了效率。这就是锁分段。但是，java 8 又更新了，不再采用锁分段机制，也采用CAS算法了。 2、用法:java.util.concurrent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。下面看看部分用法： public class TestConcurrent { public static void main(String[] args){ ThreadDemo2 threadDemo2 = new ThreadDemo2(); for (int i=0;i<10;i++){ new Thread(threadDemo2).start(); } } } //10个线程同时访问 class ThreadDemo2 implements Runnable{ private static List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());//普通做法 static { list.add("aaa"); list.add("bbb"); list.add("ccc"); } @Override public void run() { Iterator<String> iterator = list.iterator(); while (iterator.hasNext()){ System.out.println(iterator.next());//读 list.add("ddd");//写 } } } 10个线程并发访问这个集合，读取集合数据的同时再往集合中添加数据。运行这段代码会报错，并发修改异常。 并发修改异常 将创建集合方式改成： private static CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); 这样就不会有并发修改异常了。因为这个是写入并复制，每次生成新的，所以如果添加操作比较多的话，开销非常大，适合迭代操作比较多的时候使用。 四、闭锁 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。ContDownLatch是一个同步辅助类，在完成某些运算时，只有其他所有线程的运算全部完成，当前运算才继续执行，这就叫闭锁。看下面代码： public class TestCountDownLatch { public static void main(String[] args){ LatchDemo ld = new LatchDemo(); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0;i<10;i++){ new Thread(ld).start(); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("耗费时间为："+(end - start)+"秒"); } } class LatchDemo implements Runnable{ private CountDownLatch latch; public LatchDemo(){ } @Override public void run() { for (int i = 0;i<5000;i++){ if (i % 2 == 0){//50000以内的偶数 System.out.println(i); } } } } 这段代码就是10个线程同时去输出5000以内的偶数，然后在主线程那里计算执行时间。其实这是计算不了那10个线程的执行时间的，因为主线程与这10个线程也是同时执行的，可能那10个线程才执行到一半，主线程就已经输出“耗费时间为x秒”这句话了。所有要想计算这10个线程执行的时间，就得让主线程先等待，等10个分线程都执行完了才能执行主线程。这就要用到闭锁。看如何使用： public class TestCountDownLatch { public static void main(String[] args) { final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);//有多少个线程这个参数就是几 LatchDemo ld = new LatchDemo(latch); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(ld).start(); } try { latch.await();//这10个线程执行完之前先等待 } catch (InterruptedException e) { } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("耗费时间为：" + (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 < 50000; i++) { if (i % 2 == 0) {//50000以内的偶数 System.out.println(i); } } } finally { latch.countDown();//每执行完一个就递减一个 } } } } 如上代码，主要就是用latch.countDown()和latch.await()实现闭锁，详细请看上面注释即可。 五、创建线程的方式 --- 实现Callable接口 直接看代码： public class TestCallable { public static void main(String[] args){ CallableDemo callableDemo = new CallableDemo(); //执行callable方式，需要FutureTask实现类的支持，用来接收运算结果 FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(callableDemo); new Thread(result).start(); //接收线程运算结果 try { Integer sum = result.get();//当上面的线程执行完后，才会打印结果。跟闭锁一样。所有futureTask也可以用于闭锁 System.out.println(sum); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } class CallableDemo implements Callable<Integer>{ @Override public Integer call() throws Exception { int sum = 0; for (int i = 0;i<=100;i++){ sum += i; } return sum; } } 现在Callable接口和实现Runable接口的区别就是，Callable带泛型，其call方法有返回值。使用的时候，需要用FutureTask来接收返回值。而且它也要等到线程执行完调用get方法才会执行，也可以用于闭锁操作。 六、Lock同步锁 参考资料：sourl.cn/sx6zLt 在JDK1.5之前，解决多线程安全问题有两种方式(sychronized隐式锁)： 同步代码块 同步方法 在JDK1.5之后，出现了更加灵活的方式(Lock显式锁)： 同步锁 Lock需要通过lock()方法上锁，通过unlock()方法释放锁。为了保证锁能释放，所有unlock方法一般放在finally中去执行。 再来看一下卖票案例： public class TestLock { public static void main(String[] args) { Ticket td = new Ticket(); new Thread(td, "窗口1").start(); new Thread(td, "窗口2").start(); new Thread(td, "窗口3").start(); } } class Ticket implements Runnable { private int ticket = 100; @Override public void run() { while (true) { if (ticket > 0) { try { Thread.sleep(200); } catch (Exception e) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成售票，余票为：" + (--ticket)); } } } } 多个线程同时操作共享数据ticket，所以会出现线程安全问题。会出现同一张票卖了好几次或者票数为负数的情况。以前用同步代码块和同步方法解决，现在看看用同步锁怎么解决。 class Ticket implements Runnable { private Lock lock = new ReentrantLock();//创建lock锁 private int ticket = 100; @Override public void run() { while (true) { lock.lock();//上锁 try { if (ticket > 0) { try { Thread.sleep(200); } catch (Exception e) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成售票，余票为：" + (--ticket)); } }finally { lock.unlock();//释放锁 } } } } 直接创建lock对象，然后用lock()方法上锁，最后用unlock()方法释放锁即可。 七、等待唤醒机制 1、虚假唤醒问题：生产消费模式是等待唤醒机制的一个经典案例，看下面的代码： public class TestProductorAndconsumer { public static void main(String[] args){ Clerk clerk = new Clerk(); Productor productor = new Productor(clerk); Consumer consumer = new Consumer(clerk); new Thread(productor,"生产者A").start(); new Thread(consumer,"消费者B").start(); } } //店员 class Clerk{ private int product = 0;//共享数据 public synchronized void get(){ //进货 if(product >= 10){ System.out.println("产品已满"); }else { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (++product)); } } public synchronized void sell(){//卖货 if (product <= 0){ System.out.println("缺货"); }else { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (--product)); } } } //生产者 class Productor implements Runnable{ private Clerk clerk; public Productor(Clerk clerk){ this.clerk = clerk; } @Override public void run() { for (int i = 0;i<20;i++){ 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++){ clerk.sell(); } } } 这就是生产消费模式的案例，这里没有使用等待唤醒机制，运行结果就是即使是缺货状态，它也会不断的去消费，也会一直打印“缺货”，即使是产品已满状态，也会不断地进货。用等待唤醒机制改进： //店员 class Clerk{ private int product = 0;//共享数据 public synchronized void get(){ //进货 if(product >= 10){ System.out.println("产品已满"); try { this.wait();//满了就等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }else { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (++product)); this.notifyAll();//没满就可以进货 } } public synchronized void sell(){//卖货 if (product <= 0){ System.out.println("缺货"); try { this.wait();//缺货就等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }else { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ (--product)); this.notifyAll();//不缺货就可以卖 } } } 这样就不会出现上述问题了。没有的时候就生产，生产满了就通知消费，消费完了再通知生产。但是这样还是有点问题，将上述代码做如下改动： if(product >= 1){ //把原来的10改成1 System.out.println("产品已满"); ...... public void run() { try { Thread.sleep(200);//睡0.2秒 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } for (int i = 0;i<20;i++){ clerk.sell(); } } 就做这两处修改，再次运行，发现虽然结果没问题，但是程序却一直没停下来。出现这种情况是因为有一个线程在等待，而另一个线程没有执行机会了，唤醒不了这个等待的线程了，所以程序就无法结束。解决办法就是把get和sell方法里面的else去掉，不要用else包起来。但是，即使这样，如果再多加两个线程，就会出现负数了。 new Thread(productor, "生产者C").start(); new Thread(consumer, "消费者D").start(); 运行结果： 运行结果 一个消费者线程抢到执行权，发现product是0，就等待，这个时候，另一个消费者又抢到了执行权，product是0，还是等待，此时两个消费者线程在同一处等待。然后当生产者生产了一个product后，就会唤醒两个消费者，发现product是1，同时消费，结果就出现了0和-1。这就是虚假唤醒。解决办法就是把if判断改成while。如下： public synchronized void get() { //进货 while (product >= 1) { System.out.println("产品已满"); try { this.wait();//满了就等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (++product)); this.notifyAll();//没满就可以进货 } public synchronized void sell() {//卖货 while (product <= 0) {//为了避免虚假唤醒问题，wait方法应该总是在循环中使用 System.out.println("缺货"); try { this.wait();//缺货就等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (--product)); this.notifyAll();//不缺货就可以卖 } 只需要把if改成while，每次都再去判断一下，就可以了。 2、用Lock锁实现等待唤醒： class Clerk { private int product = 0;//共享数据 private Lock lock = new ReentrantLock();//创建锁对象 private Condition condition = lock.newCondition();//获取condition实例 public void get() { //进货 lock.lock();//上锁 try { while (product >= 1) { System.out.println("产品已满"); try { condition.await();//满了就等待 } catch (InterruptedException e) { } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (++product)); condition.signalAll();//没满就可以进货 }finally { lock.unlock();//释放锁 } } public void sell() {//卖货 lock.lock();//上锁 try { while (product <= 0) { System.out.println("缺货"); try { condition.await();//缺货就等待 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (--product)); condition.signalAll();//不缺货就可以卖 }finally { lock.unlock();//释放锁 } } } 使用lock同步锁，就不需要sychronized关键字了，需要创建lock对象和condition实例。condition的await()方法、signal()方法和signalAll()方法分别与wait()方法、notify()方法和notifyAll()方法对应。 3、线程按序交替：首先来看一道题： 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 分析： 线程本来是抢占式进行的，要按序交替，所以必须实现线程通信， 那就要用到等待唤醒。可以使用同步方法，也可以用同步锁。 编码实现： public class TestLoopPrint { public static void main(String[] args) { AlternationDemo ad = new AlternationDemo(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { ad.loopA(); } } }, "A").start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { ad.loopB(); } } }, "B").start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { ad.loopC(); } } }, "C").start(); } } class AlternationDemo { private int number = 1;//当前正在执行的线程的标记 private Lock lock = new ReentrantLock(); Condition condition1 = lock.newCondition(); Condition condition2 = lock.newCondition(); Condition condition3 = lock.newCondition(); public void loopA() { lock.lock(); try { if (number != 1) { //判断 condition1.await(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印 number = 2; condition2.signal(); } catch (Exception e) { } finally { lock.unlock(); } } public void loopB() { lock.lock(); try { if (number != 2) { //判断 condition2.await(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印 number = 3; condition3.signal(); } catch (Exception e) { } finally { lock.unlock(); } } public void loopC() { lock.lock(); try { if (number != 3) { //判断 condition3.await(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName());//打印 number = 1; condition1.signal(); } catch (Exception e) { } finally { lock.unlock(); } } } 以上编码就满足需求。创建三个线程，分别调用loopA、loopB和loopC方法，这三个线程使用condition进行通信。 八、ReadWriterLock读写锁 我们在读数据的时候，可以多个线程同时读，不会出现问题，但是写数据的时候，如果多个线程同时写数据，那么到底是写入哪个线程的数据呢？所以，如果有两个线程，写写/读写需要互斥，读读不需要互斥。这个时候可以用读写锁。看例子： public class TestReadWriterLock { public static void main(String[] args){ ReadWriterLockDemo rw = new ReadWriterLockDemo(); new Thread(new Runnable() {//一个线程写 @Override public void run() { rw.set((int)Math.random()*101); } },"write:").start(); for (int i = 0;i<100;i++){//100个线程读 Runnable runnable = () -> rw.get(); Thread thread = new Thread(runnable); thread.start(); } } } class ReadWriterLockDemo{ private int number = 0; private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(); //读(可以多个线程同时操作) public void get(){ readWriteLock.readLock().lock();//上锁 try { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+number); }finally { readWriteLock.readLock().unlock();//释放锁 } } //写(一次只能有一个线程操作) public void set(int number){ readWriteLock.writeLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName()); this.number = number; }finally { readWriteLock.writeLock().unlock(); } } } 这个就是读写锁的用法。上面的代码实现了一个线程写，一百个线程同时读的操作。 九、线程池 参考资料：sourl.cn/sx6zLt 我们使用线程时，需要new一个，用完了又要销毁，这样频繁的创建销毁也很耗资源，所以就提供了线程池。道理和连接池差不多，连接池是为了避免频繁的创建和释放连接，所以在连接池中就有一定数量的连接，要用时从连接池拿出，用完归还给连接池。线程池也一样。线程池中有一个线程队列，里面保存着所有等待状态的线程。下面来看一下用法： public class TestThreadPool { public static void main(String[] args) { ThreadPoolDemo tp = new ThreadPoolDemo(); //1.创建线程池 ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5); //2.为线程池中的线程分配任务 pool.submit(tp); //3.关闭线程池 pool.shutdown(); } } class ThreadPoolDemo implements Runnable { private int i = 0; @Override public void run() { while (i < 100) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (i++)); } } } 线程池用法很简单，分为三步。首先用工具类Executors创建线程池，然后给线程池分配任务，最后关闭线程池就行了。
