Java 高并發(fā)五：JDK并發(fā)包1詳細(xì)介紹
在[高并發(fā)Java 二] 多線程基礎(chǔ)中，我們已經(jīng)初步提到了基本的線程同步操作。這次要提到的是在并發(fā)包中的同步控制工具。
1. 各種同步控制工具的使用
1.1 ReentrantLock
ReentrantLock感覺上是synchronized的增強(qiáng)版，synchronized的特點(diǎn)是使用簡單，一切交給JVM去處理，但是功能上是比較薄弱的。在JDK1.5之前，ReentrantLock的性能要好于synchronized，由于對JVM進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)在的JDK版本中，兩者性能是不相上下的。如果是簡單的實(shí)現(xiàn)，不要刻意去使用ReentrantLock。
相比于synchronized，ReentrantLock在功能上更加豐富，它具有可重入、可中斷、可限時、公平鎖等特點(diǎn)。
首先我們通過一個例子來說明ReentrantLock最初步的用法：
package test;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static int i = 0;
@Override
public void run()
{
for (int j = 0; j < 10000000; j++)
{
lock.lock();
try
{
i++;
}
finally
{
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Test test = new Test();
Thread t1 = new Thread(test);
Thread t2 = new Thread(test);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
有兩個線程都對i進(jìn)行++操作，為了保證線程安全，使用了 ReentrantLock，從用法上可以看出，與 synchronized相比， ReentrantLock就稍微復(fù)雜一點(diǎn)。因為必須在finally中進(jìn)行解鎖操作，如果不在 finally解鎖，有可能代碼出現(xiàn)異常鎖沒被釋放，而synchronized是由JVM來釋放鎖。
那么ReentrantLock到底有哪些優(yōu)秀的特點(diǎn)呢？
1.1.1 可重入
單線程可以重復(fù)進(jìn)入，但要重復(fù)退出
lock.lock();
lock.lock();
try
{
i++;
}
finally
{
lock.unlock();
lock.unlock();
}
由于ReentrantLock是重入鎖，所以可以反復(fù)得到相同的一把鎖，它有一個與鎖相關(guān)的獲取計數(shù)器，如果擁有鎖的某個線程再次得到鎖，那么獲取計數(shù)器就加1，然后鎖需要被釋放兩次才能獲得真正釋放(重入鎖)。這模仿了 synchronized 的語義；如果線程進(jìn)入由線程已經(jīng)擁有的監(jiān)控器保護(hù)的 synchronized 塊，就允許線程繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)線程退出第二個（或者后續(xù)） synchronized 塊的時候，不釋放鎖，只有線程退出它進(jìn)入的監(jiān)控器保護(hù)的第一個synchronized 塊時，才釋放鎖。
public class Child extends Father implements Runnable{
final static Child child = new Child();//為了保證鎖唯一
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
new Thread(child).start();
}
}
public synchronized void doSomething() {
System.out.println("1child.doSomething()");
doAnotherThing(); // 調(diào)用自己類中其他的synchronized方法
}
private synchronized void doAnotherThing() {
super.doSomething(); // 調(diào)用父類的synchronized方法
System.out.println("3child.doAnotherThing()");
}
@Override
public void run() {
child.doSomething();
}
}
class Father {
public synchronized void doSomething() {
System.out.println("2father.doSomething()");
}
}
我們可以看到一個線程進(jìn)入不同的 synchronized方法，是不會釋放之前得到的鎖的。所以輸出還是順序輸出。所以synchronized也是重入鎖
輸出：
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
...
1.1.2.可中斷
與synchronized不同的是，ReentrantLock對中斷是有響應(yīng)的。中斷相關(guān)知識查看[高并發(fā)Java 二] 多線程基礎(chǔ)
普通的lock.lock()是不能響應(yīng)中斷的，lock.lockInterruptibly()能夠響應(yīng)中斷。
我們模擬出一個死鎖現(xiàn)場，然后用中斷來處理死鎖
package test;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
public Test(int lock)
{
this.lock = lock;
}
@Override
public void run()
{
try
{
if (lock == 1)
{
lock1.lockInterruptibly();
try
{
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
lock2.lockInterruptibly();
}
else
{
lock2.lockInterruptibly();
try
{
Thread.sleep(500);
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
lock1.lockInterruptibly();
}
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
finally
{
if (lock1.isHeldByCurrentThread())
{
lock1.unlock();
}
if (lock2.isHeldByCurrentThread())
{
lock2.unlock();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":線程退出");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Test t1 = new Test(1);
Test t2 = new Test(2);
Thread thread1 = new Thread(t1);
Thread thread2 = new Thread(t2);
thread1.start();
thread2.start();
Thread.sleep(1000);
//DeadlockChecker.check();
}
static class DeadlockChecker
{
private final static ThreadMXBean mbean = ManagementFactory
.getThreadMXBean();
final static Runnable deadlockChecker = new Runnable()
{
@Override
public void run()
{
// TODO Auto-generated method stub
while (true)
{
long[] deadlockedThreadIds = mbean.findDeadlockedThreads();
if (deadlockedThreadIds != null)
{
ThreadInfo[] threadInfos = mbean.getThreadInfo(deadlockedThreadIds);
for (Thread t : Thread.getAllStackTraces().keySet())
{
for (int i = 0; i < threadInfos.length; i++)
{
if(t.getId() == threadInfos[i].getThreadId())
{
t.interrupt();
}
}
}
}
try
{
Thread.sleep(5000);
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
}
}
};
public static void check()
{
Thread t = new Thread(deadlockChecker);
t.setDaemon(true);
t.start();
}
}
}
上述代碼有可能會發(fā)生死鎖，線程1得到lock1，線程2得到lock2，然后彼此又想獲得對方的鎖。
我們用jstack查看運(yùn)行上述代碼后的情況
的確發(fā)現(xiàn)了一個死鎖。
DeadlockChecker.check();方法用來檢測死鎖，然后把死鎖的線程中斷。中斷后，線程正常退出。
1.1.3.可限時
超時不能獲得鎖，就返回false，不會永久等待構(gòu)成死鎖
使用lock.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)來實(shí)現(xiàn)可限時鎖，參數(shù)為時間和單位。
舉個例子來說明下可限時：
package test;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run()
{
try
{
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS))
{
Thread.sleep(6000);
}
else
{
System.out.println("get lock failed");
}
}
catch (Exception e)
{
}
finally
{
if (lock.isHeldByCurrentThread())
{
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args)
{
Test t = new Test();
Thread t1 = new Thread(t);
Thread t2 = new Thread(t);
t1.start();
t2.start();
}
}
使用兩個線程來爭奪一把鎖，當(dāng)某個線程獲得鎖后，sleep6秒，每個線程都只嘗試5秒去獲得鎖。
所以必定有一個線程無法獲得鎖。無法獲得后就直接退出了。
輸出：
get lock failed
1.1.4.公平鎖
使用方式：
public ReentrantLock(boolean fair)
public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
一般意義上的鎖是不公平的，不一定先來的線程能先得到鎖，后來的線程就后得到鎖。不公平的鎖可能會產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象。
公平鎖的意思就是，這個鎖能保證線程是先來的先得到鎖。雖然公平鎖不會產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象，但是公平鎖的性能會比非公平鎖差很多。
1.2 Condition
Condition與ReentrantLock的關(guān)系就類似于synchronized與Object.wait()/signal()
await()方法會使當(dāng)前線程等待，同時釋放當(dāng)前鎖，當(dāng)其他線程中使用signal()時或者signalAll()方法時，線 程會重新獲得鎖并繼續(xù)執(zhí)行?；蛘弋?dāng)線程被中斷時，也能跳出等待。這和Object.wait()方法很相似。
awaitUninterruptibly()方法與await()方法基本相同，但是它并不會再等待過程中響應(yīng)中斷。 singal()方法用于喚醒一個在等待中的線程。相對的singalAll()方法會喚醒所有在等待中的線程。這和Obejct.notify()方法很類似。
這里就不再詳細(xì)介紹了。舉個例子來說明：
package test;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static Condition condition = lock.newCondition();
@Override
public void run()
{
try
{
lock.lock();
condition.await();
System.out.println("Thread is going on");
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
finally
{
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Test t = new Test();
Thread thread = new Thread(t);
thread.start();
Thread.sleep(2000);
lock.lock();
condition.signal();
lock.unlock();
}
}
上述例子很簡單，讓一個線程await住，讓主線程去喚醒它。condition.await()/signal只能在得到鎖以后使用。
1.3.Semaphore
對于鎖來說，它是互斥的排他的。意思就是，只要我獲得了鎖，沒人能再獲得了。
而對于Semaphore來說，它允許多個線程同時進(jìn)入臨界區(qū)?？梢哉J(rèn)為它是一個共享鎖，但是共享的額度是有限制的，額度用完了，其他沒有拿到額度的線程還是要阻塞在臨界區(qū)外。當(dāng)額度為1時，就相等于lock
下面舉個例子：
package test;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Test implements Runnable
{
final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
@Override
public void run()
{
try
{
semaphore.acquire();
Thread.sleep(2000);
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " done");
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}finally {
semaphore.release();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
final Test t = new Test();
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
executorService.submit(t);
}
}
}
有一個20個線程的線程池，每個線程都去 Semaphore的許可，Semaphore的許可只有5個，運(yùn)行后可以看到，5個一批，一批一批地輸出。
當(dāng)然一個線程也可以一次申請多個許可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException
1.4 ReadWriteLock
ReadWriteLock是區(qū)分功能的鎖。讀和寫是兩種不同的功能，讀-讀不互斥，讀-寫互斥，寫-寫互斥。
這樣的設(shè)計是并發(fā)量提高了，又保證了數(shù)據(jù)安全。
使用方式：
private static ReentrantReadWriteLock readWriteLock=new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
詳細(xì)例子可以查看 Java實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題與讀者寫者問題，這里就不展開了。
1.5 CountDownLatch
倒數(shù)計時器
一種典型的場景就是火箭發(fā)射。在火箭發(fā)射前，為了保證萬無一失，往往還要進(jìn)行各項設(shè)備、儀器的檢查。 只有等所有檢查完畢后，引擎才能點(diǎn)火。這種場景就非常適合使用CountDownLatch。它可以使得點(diǎn)火線程
，等待所有檢查線程全部完工后，再執(zhí)行
使用方式：
static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
end.countDown();
end.await();
示意圖：
一個簡單的例子：
package test;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Test implements Runnable
{
static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
static final Test t = new Test();
@Override
public void run()
{
try
{
Thread.sleep(2000);
System.out.println("complete");
countDownLatch.countDown();
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
executorService.execute(t);
}
countDownLatch.await();
System.out.println("end");
executorService.shutdown();
}
}
主線程必須等待10個線程全部執(zhí)行完才會輸出"end"。
1.6 CyclicBarrier
和CountDownLatch相似，也是等待某些線程都做完以后再執(zhí)行。與CountDownLatch區(qū)別在于這個計數(shù)器可以反復(fù)使用。比如，假設(shè)我們將計數(shù)器設(shè)置為10。那么湊齊第一批1 0個線程后，計數(shù)器就會歸零，然后接著湊齊下一批10個線程
使用方式：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
barrierAction就是當(dāng)計數(shù)器一次計數(shù)完成后，系統(tǒng)會執(zhí)行的動作
await()
示意圖：
下面舉個例子：
package test;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Test implements Runnable
{
private String soldier;
private final CyclicBarrier cyclic;
public Test(String soldier, CyclicBarrier cyclic)
{
this.soldier = soldier;
this.cyclic = cyclic;
}
@Override
public void run()
{
try
{
//等待所有士兵到齊
cyclic.await();
dowork();
//等待所有士兵完成工作
cyclic.await();
}
catch (Exception e)
{
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
private void dowork()
{
// TODO Auto-generated method stub
try
{
Thread.sleep(3000);
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
System.out.println(soldier + ": done");
}
public static class BarrierRun implements Runnable
{
boolean flag;
int n;
public BarrierRun(boolean flag, int n)
{
super();
this.flag = flag;
this.n = n;
}
@Override
public void run()
{
if (flag)
{
System.out.println(n + "個任務(wù)完成");
}
else
{
System.out.println(n + "個集合完成");
flag = true;
}
}
}
public static void main(String[] args)
{
final int n = 10;
Thread[] threads = new Thread[n];
boolean flag = false;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n, new BarrierRun(flag, n));
System.out.println("集合");
for (int i = 0; i < n; i++)
{
System.out.println(i + "報道");
threads[i] = new Thread(new Test("士兵" + i, barrier));
threads[i].start();
}
}
}
打印結(jié)果：
集合
0報道
1報道
2報道
3報道
4報道
5報道
6報道
7報道
8報道
9報道
10個集合完成
士兵5: done
士兵7: done
士兵8: done
士兵3: done
士兵4: done
士兵1: done
士兵6: done
士兵2: done
士兵0: done
士兵9: done
10個任務(wù)完成
1.7 LockSupport
提供線程阻塞原語
和suspend類似
LockSupport.park();
LockSupport.unpark(t1);
與suspend相比 不容易引起線程凍結(jié)
LockSupport的思想呢，和 Semaphore有點(diǎn)相似，內(nèi)部有一個許可，park的時候拿掉這個許可，unpark的時候申請這個許可。所以如果unpark在park之前，是不會發(fā)生線程凍結(jié)的。
下面的代碼是[高并發(fā)Java 二] 多線程基礎(chǔ)中suspend示例代碼，在使用suspend時會發(fā)生死鎖。
package test;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class Test
{
static Object u = new Object();
static TestSuspendThread t1 = new TestSuspendThread("t1");
static TestSuspendThread t2 = new TestSuspendThread("t2");
public static class TestSuspendThread extends Thread
{
public TestSuspendThread(String name)
{
setName(name);
}
@Override
public void run()
{
synchronized (u)
{
System.out.println("in " + getName());
//Thread.currentThread().suspend();
LockSupport.park();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
t1.start();
Thread.sleep(100);
t2.start();
// t1.resume();
// t2.resume();
LockSupport.unpark(t1);
LockSupport.unpark(t2);
t1.join();
t2.join();
}
}
而使用 LockSupport則不會發(fā)生死鎖。
另外
park()能夠響應(yīng)中斷，但不拋出異常。中斷響應(yīng)的結(jié)果是，park()函數(shù)的返回，可以從Thread.interrupted()得到中斷標(biāo)志。
在JDK當(dāng)中有大量地方使用到了park，當(dāng)然LockSupport的實(shí)現(xiàn)也是使用unsafe.park()來實(shí)現(xiàn)的。
public static void park() {
unsafe.park(false, 0L);
}
1.8 ReentrantLock 的實(shí)現(xiàn)
下面來介紹下ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)，ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)主要由3部分組成：
- CAS狀態(tài)
- 等待隊列
- park()
ReentrantLock的父類中會有一個state變量來表示同步的狀態(tài)
/** * The synchronization state. */ private volatile int state;
通過CAS操作來設(shè)置state來獲取鎖，如果設(shè)置成了1，則將鎖的持有者給當(dāng)前線程
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
如果拿鎖不成功，則會做一個申請
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
首先，再去申請下試試看tryAcquire，因為此時可能另一個線程已經(jīng)釋放了鎖。
如果還是沒有申請到鎖，就addWaiter，意思是把自己加到等待隊列中去
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
其間還會有多次嘗試去申請鎖，如果還是申請不到，就會被掛起
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
同理，如果在unlock操作中，就是釋放了鎖，然后unpark，這里就不具體講了。
2. 并發(fā)容器及典型源碼分析
2.1 ConcurrentHashMap
我們知道HashMap不是一個線程安全的容器，最簡單的方式使HashMap變成線程安全就是使用
Collections.synchronizedMap，它是對HashMap的一個包裝
public static Map m=Collections.synchronizedMap(new HashMap());
同理對于List，Set也提供了相似方法。
但是這種方式只適合于并發(fā)量比較小的情況。
我們來看下synchronizedMap的實(shí)現(xiàn)
private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
if (m==null)
throw new NullPointerException();
this.m = m;
mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
this.m = m;
this.mutex = mutex;
}
public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
public V remove(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
}
public void clear() {
synchronized (mutex) {m.clear();}
}
它會將HashMap包裝在里面，然后將HashMap的每個操作都加上synchronized。
由于每個方法都是獲取同一把鎖(mutex)，這就意味著，put和remove等操作是互斥的，大大減少了并發(fā)量。
下面來看下ConcurrentHashMap是如何實(shí)現(xiàn)的
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}
在 ConcurrentHashMap內(nèi)部有一個Segment段，它將大的HashMap切分成若干個段（小的HashMap），然后讓數(shù)據(jù)在每一段上Hash，這樣多個線程在不同段上的Hash操作一定是線程安全的，所以只需要同步同一個段上的線程就可以了，這樣實(shí)現(xiàn)了鎖的分離，大大增加了并發(fā)量。
在使用ConcurrentHashMap.size時會比較麻煩，因為它要統(tǒng)計每個段的數(shù)據(jù)和，在這個時候，要把每一個段都加上鎖，然后再做數(shù)據(jù)統(tǒng)計。這個就是把鎖分離后的小小弊端，但是size方法應(yīng)該是不會被高頻率調(diào)用的方法。
在實(shí)現(xiàn)上，不使用synchronized和lock.lock而是盡量使用trylock，同時在HashMap的實(shí)現(xiàn)上，也做了一點(diǎn)優(yōu)化。這里就不提了。
2.2 BlockingQueue
BlockingQueue不是一個高性能的容器。但是它是一個非常好的共享數(shù)據(jù)的容器。是典型的生產(chǎn)者和消費(fèi)者的實(shí)現(xiàn)。
示意圖：
具體可以查看Java實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題與讀者寫者問題
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這篇文章主要介紹了SpringBoot使用Kaptcha實(shí)現(xiàn)驗證碼的生成與驗證功能,本文通過實(shí)例代碼給大家介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下2023-03-03
Java中使用Closeable接口自動關(guān)閉資源詳解
這篇文章主要介紹了Java中使用Closeable接口自動關(guān)閉資源詳解,Closeable接口繼承于AutoCloseable,主要的作用就是自動的關(guān)閉資源,其中close()方法是關(guān)閉流并且釋放與其相關(guān)的任何方法,如果流已被關(guān)閉,那么調(diào)用此方法沒有效果,需要的朋友可以參考下2023-12-12
Class.forName(xxx.xx.xx) 返回的是一個類，但Class.forName方法的作用到底是什么終？下面這篇文章就來給大家詳細(xì)介紹了關(guān)于java中Class.forName方法的作用，文中介紹的非常詳細(xì)，需要的朋友可以參考借鑒，下面來一起看看吧。2017-06-06