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java并发编程(2)：Java多线程-java.util.concurrent高级工具

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周陆军博客

发布于 2023-04-09 14:50:34

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高级多线程控制类

Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包:java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。

ThreadLocal类

ThreadLocal类用来保存线程的独立变量。对一个线程类（继承自Thread)

当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。常用于用户登录控制，如记录session信息。

实现：每个Thread都持有一个TreadLocalMap类型的变量（该类是一个轻量级的Map，功能与map一样，区别是桶里放的是entry而不是entry的链表。功能还是一个map。）以本身为key，以目标为value。

主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里维护一个threadLocal -> a，get时将a返回。ThreadLocal是一个特殊的容器。

原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保证原子的操作，则等同于synchronized

AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)//返回值为boolean

AtomicReference

对于AtomicReference 来讲，也许对象会出现，属性丢失的情况，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。

这时候，AtomicStampedReference就派上用场了。这也是一个很常用的思路，即加上版本号

Lock类　

lock: 在java.util.concurrent包内。共有三个实现：

ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一样，两者都是为了解决同步问题，处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别。

区别如下：

lock更灵活，可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺序（synchronized要按照先加的后解顺序）
提供多种加锁方案，lock 阻塞式, trylock 无阻塞式, lockInterruptily 可打断式，还有trylock的带超时时间版本。
本质上和监视器锁（即synchronized是一样的）
能力越大，责任越大，必须控制好加锁和解锁，否则会导致灾难。
和Condition类的结合。
性能更高，synchronized和Lock性能对比，如下图：

ReentrantLock的使用

可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。

private java.util.concurrent.locks.Lock lock = new ReentrantLock();
public void method() {	
	try {		
		lock.lock();		//获取到锁lock，同步块
	} finally {		
		lock.unlock();//释放锁lock
	}
}

ReentrantLock 比 synchronized 功能更强大，主要体现：
ReentrantLock 具有公平策略的选择。
ReentrantLock 可以在获取锁的时候，可有条件性地获取，可以设置等待时间，很有效地避免死锁。
如 tryLock() 和 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
ReentrantLock 可以获取锁的各种信息，用于监控锁的各种状态。
ReentrantLock 可以灵活实现多路通知，即Condition的运用。

公平锁与非公平锁

ReentrantLock 默认是非公平锁，允许线程“抢占插队”获取锁。公平锁则是线程依照请求的顺序获取锁，近似FIFO的策略方式。

锁的使用

lock() 阻塞式地获取锁，只有在获取到锁后才处理interrupt信息
lockInterruptibly() 阻塞式地获取锁，立即处理interrupt信息，并抛出异常
tryLock() 尝试获取锁，不管成功失败，都立即返回true、false，注意的是即使已将此锁设置为使用公平排序策略，tryLock()仍然可以打开公平性去插队抢占。如果希望遵守此锁的公平设置，则使用 tryLock(0, TimeUnit.SECONDS)，它几乎是等效的(也检测中断)。
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)在timeout时间内阻塞式地获取锁，成功返回true，超时返回false，同时立即处理interrupt信息，并抛出异常。

如果想使用一个允许闯入公平锁的定时 tryLock，那么可以将定时形式和不定时形式组合在一起：

if (lock.tryLock() || lock.tryLock(timeout, unit) ) { ... }

private java.util.concurrent.locks.ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void testMethod() {	
	try {		
		if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
			//获取到锁lock，同步块
		} else {		
			//没有获取到锁lock
		}
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} finally {
		if (lock.isHeldByCurrentThread())
		//如果当前线程持有锁lock，则释放锁lock
			lock.unlock();
	}
}

条件Condition的使用

条件Condition可以由锁lock来创建，实现多路通知的机制。

具有await、signal、signalAll的方法，与wait/notify类似，需要在获取锁后方能调用。

private final java.util.concurrent.locks.Lock lock = new ReentrantLock();
private final java.util.concurrent.locks.Condition condition = lock.newCondition();
public void await() {	
	try {		
		lock.lock();		//获取到锁lock
		condition.await();//等待condition通信信号，释放condition锁
		//接到condition通信
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} finally {
		lock.unlock();//释放对象锁lock
	}
}

ReentrantReadWriteLock的使用

ReentrantReadWriteLock是对ReentrantLock 更进一步的扩展，实现了读锁readLock()(共享锁)和写锁writeLock()(独占锁)，实现读写分离。读和读之间不会互斥，读和写、写和读、写和写之间才会互斥，提升了读写的性能。

读锁示例：

private final java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public void method() {	
	try {		
		lock.readLock().lock();//获取到读锁readLock，同步块
	} finally {		
		lock.readLock().unlock();//释放读锁readLock
	}
}

写锁示例：

private final java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public void method() {	
	try {		
		lock.writeLock().lock(); //获取到写锁writeLock，同步块
	} finally {
		lock.writeLock().unlock(); //释放写锁writeLock
	}
}

容器类

同步容器与异步容器概览

同步容器

包括两部分：

一个是早期JDK的Vector、Hashtable；
一个是它们的同系容器，JDK1.2加入的同步包装类，使用Collections.synchronizedXxx工厂方法创建。

Map<String, Integer> hashmapSync = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

同步容器都是线程安全的，一次只有一个线程访问容器的状态。

但在某些场景下可能需要加锁来保护复合操作。

复合类操作如：新增、删除、迭代、跳转以及条件运算。

这些复合操作在多线程并发的修改容器时，可能会表现出意外的行为，

最经典的便是ConcurrentModificationException，

原因是当容器迭代的过程中，被并发的修改了内容，这是由于早期迭代器设计的时候并没有考虑并发修改的问题。

其底层的机制无非就是用传统的synchronized关键字对每个公用的方法都进行同步，使得每次只能有一个线程访问容器的状态。这很明显不满足我们今天互联网时代高并发的需求，在保证线程安全的同时，也必须有足够好的性能。

并发容器

与Collections.synchronizedXxx()同步容器等相比，util.concurrent中引入的并发容器主要解决了两个问题：

根据具体场景进行设计，尽量避免synchronized，提供并发性。
定义了一些并发安全的复合操作，并且保证并发环境下的迭代操作不会出错。

util.concurrent中容器在迭代时，可以不封装在synchronized中，可以保证不抛异常，但是未必每次看到的都是"最新的、当前的"数据。

Map<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();

ConcurrentHashMap 替代同步的Map即(Collections.synchronized(new HashMap()))。

众所周知，HashMap是根据散列值分段存储的，同步Map在同步的时候会锁住整个Map，而ConcurrentHashMap在设计存储的时候引入了段落Segment定义，同步的时候只需要锁住根据散列值锁住了散列值所在的段落即可，大幅度提升了性能。ConcurrentHashMap也增加了对常用复合操作的支持，比如"若没有则添加"：putIfAbsent()，替换：replace()。这2个操作都是原子操作。注意的是ConcurrentHashMap 弱化了size()和isEmpty()方法，并发情况尽量少用，避免导致可能的加锁(当然也可能不加锁获得值，如果map数量没有变化的话)。 CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet分别代替List和Set，主要是在遍历操作为主的情况下来代替同步的List和同步的Set，这也就是上面所述的思路：迭代过程要保证不出错，除了加锁，另外一种方法就是"克隆"容器对象。---缺点也明显，占有内存，且数据最终一致，但数据实时不一定一致，一般用于读多写少的并发场景。

ConcurrentSkipListMap可以在高效并发中替代SoredMap(例如用Collections.synchronzedMap包装的TreeMap)。
ConcurrentSkipListSet可以在高效并发中替代SoredSet(例如用Collections.synchronzedSet包装的TreeMap)。
ConcurrentLinkedQuerue是一个先进先出的队列。它是非阻塞队列。注意尽量用isEmpty，而不是size();

CountDownLatch闭锁的使用

管理类

管理类的概念比较泛，用于管理线程，本身不是多线程的，但提供了一些机制来利用上述的工具做一些封装。

了解到的值得一提的管理类：ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系统级管理类 ThreadMXBean

ThreadPoolExecutor

如果不了解这个类，应该了解前面提到的ExecutorService，开一个自己的线程池非常方便：

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 第一种是可变大小线程池，按照任务数来分配线程，
    // 第二种是单线程池，相当于FixedThreadPool(1)
    // 第三种是固定大小线程池。
    // 然后运行
    e.execute(new MyRunnableImpl());