Java并发编程实战指南：JUC核心类、线程池、线程安全集合与死锁破解

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.

ReentrantLock 的用法 :

• 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

ReentrantLock 和 synchronized 的区别 :

• 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

原子类内部用的是 CAS 实现，所以性能要比加锁实现 i++ 高很多。原子类有以下几个

• AtomicBoolean
• AtomicInteger
• AtomicIntegerArray
• AtomicLong
• AtomicReference
• AtomicStampedReference

线程池

虽然创建销毁线程比创建销毁进程更轻量 , 但是在频繁创建销毁线程的时候还是会比较低效 .

线程池就是为了解决这个问题 . 如果某个线程不再使用了 , 并不是真正把线程释放 , 而是放到一个 " 池子 "中, 下次如果需要用到线程就直接从池子中取 , 不必通过系统来创建了 .

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.

Semaphore 的 PV 操作中的加减计数器操作都是原子的 , 可以在多线程环境下直接使用 .

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

1.自己使用同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock) 。

2. Collections.synchronizedList(new 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

3. 使用 CopyOnWriteArrayList。

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

1. ArrayBlockingQueue：基于数组实现的阻塞队列
2. LinkedBlockingQueue ：基于链表实现的阻塞队列
3. PriorityBlockingQueue：基于堆实现的带有优先级的阻塞队列
4. 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

HashMap 本身不是线程安全的。在多线程环境下使用哈希表可以使用：Hashtable 或者ConcurrentHashMap。

hashtable

只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字。 这相当于直接针对 Hashtable 对象本身加锁：

• 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

相比于 Hashtable 做出了一系列的改进和优化 . 以 Java1.8 为例：

• 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

1. 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.
2. 扩容期间, 新老数组同时存在.
3. 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.
4. 搬完最后一个元素再把老数组删掉.
5. 这个期间, 插入只往新数组加.
6. 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？

当多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，程序不可能正常终止的这种现象被称为死锁。

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：

1. 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
2. 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。
3. 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。
4. 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。

当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。

其中最容易破坏的就是“循环等待”。最常用的一种死锁阻止技术就是锁排序， 假设有 N 个线程尝试获取 M 把锁 , 就可以针对 M 把锁进行编号 (1, 2, 3...M)。 N 个线程尝试获取锁的时候 , 都按照固定的按编号由小到大顺序来获取锁。 这样就可以避免环路等待。