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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";

// 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;
    }
}

// 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;

int i = 10;
i = i++;  // 此时, i=10

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


// 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;

// 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;

// 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;

// 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"

// 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();
            }
        }
    }
}

// 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()+"	"+i+"	"+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()+"	"+i+"	"+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()+"	"+i+"	"+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)

// 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

// 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;

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

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

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();
        }
    }
}

参考资料

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