JUC简介

JUC是java.util.concurrent工具包的简称，这是一个处理线程的工具包，JDK1.5开始出现的。

线程与进程

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础。在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
线程（thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
总得来说。进程，指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程是资源分配的最小单位。线程，系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的个单元执行流。线程程序执行的最小单位。

线程的状态

线程的状态包括NEW（新建）、RUNNABLE（准备就绪）、BLOCKED（阻塞）、WAITING（不见不散）、TIMED_WATING（过时不候）、TERMINATED（终结）。

wait/sleep

sleep是Thread 的静态方法，wait是Object的方法，任意对象实例都能调用。
sleep不会释放锁，它也不需要占用锁。wait会释放锁，但调用它的前提是当前线程占有锁（即代码要在 synchronized中）。
它们都可以被 interrupted方法中断。

并发和并行

并发：同一时刻多个线程在访问同一个资源，多个线程对一个点。例子：春运抢票 电商秒杀…..
并行：多项工作一起执行，之后再汇总。例子：泡方便面，电水壶烧水，一边撕调料倒入桶中。

管程

是一种同步机制，保证同一个时间，只有一个线程访问被保护数据或者代码。

用户线程和守护线程

用户线程：自定义线程。主线程结束了，用户线程还在运行，JVM存活。
守护线程：比如垃圾回收。没有用户线程了，都是守护线程，JVM结束。

Lock接口

synchronized关键字

synchronized 是 Java 中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

  • 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
  • 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；
    • 虽然可以使用 synchronized 来定义方法，但 synchronized 并不属于方法定义的一部分，因此synchronized 关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了 synchronized 关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized 关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。
  • 修饰一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；
  • 修饰一个类，其作用的范围是 synchronized 后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

下面用三个线程模拟卖票的例子

  1. public class Ticket {
  3.     private int number = 30;
  5.     public synchronized void sale(){
  6.         if (number > 0){
  7.             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出票，"+"剩下："+(--number));
  8.         }
  9.     }
  10. }
  12. public class SaleTicket {
  13.     public static void main(String[] args) {
  14.         Ticket ticket = new Ticket();
  16.         new Thread(new Runnable() {
  17.             @Override
  18.             public void run() {
  19.                 for (int i=0;i<30;i++){
  20.                     ticket.sale();
  21.                 }
  22.             }
  23.         }, "A").start();
  25.         new Thread(new Runnable() {
  26.             @Override
  27.             public void run() {
  28.                 for (int i=0;i<30;i++){
  29.                     ticket.sale();
  30.                 }
  31.             }
  32.         }, "B").start();
  34.         new Thread(new Runnable() {
  35.             @Override
  36.             public void run() {
  37.                 for (int i=0;i<30;i++){
  38.                     ticket.sale();
  39.                 }
  40.             }
  41.         }, "C").start();
  42.     }
  43. }

创建线程的多种方式

  • 继承Thread 类
  • 实现Runnable 接口
  • 使用Callable 接口
  • 使用线程池

Lock接口

Lock 实现提供了比使用synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。它允许更灵活的结构，可能具有非常不同的属性，并且可能支持多个关联的条件对象。
Lock 接口有实现类ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.ReadLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock。

Lock 与Synchronized 区别：

  • Lock不是Java 语言内置的，synchronized 是 Java 语言的关键字，因此是内置特性。Lock 是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
  • synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁；
  • Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
  • 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
  • Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时 Lock 的性能要远远优于synchronized。

下面用Lock接口实现刚才卖票的例子（可重入锁）

  1. public class TicketLock {
  2.     private int number = 30;
  4.     private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  6.     public void sale(){
  7.         //上锁
  8.         lock.lock();
  9.         try {
  10.             if (number > 0){
  11.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出票，"+"剩下："+(--number));
  12.             }
  13.         }finally {
  14.             //解锁
  15.             lock.unlock();
  16.         }
  17.     }
  18. }
  20. public class SaleTicket {
  21.     public static void main(String[] args) {
  22.         TicketLock ticket = new TicketLock();
  24.         new Thread(() -> {
  25.             for (int i=0;i<30;i++){
  26.                 ticket.sale();
  27.             }
  28.         }, "A").start();
  29.         new Thread(() -> {
  30.             for (int i=0;i<30;i++){
  31.                 ticket.sale();
  32.             }
  33.         }, "B").start();
  34.         new Thread(() -> {
  35.             for (int i=0;i<30;i++){
  36.                 ticket.sale();
  37.             }
  38.         }, "C").start();
  39.     }
  40. }

线程间通信

以一个加减1为例，先用synchronized 来实现

  1. public class Share {
  2.     private int number = 0;
  4.     public synchronized void incr() throws InterruptedException {
  5.         while (number != 0){
  6.             wait();
  7.         }
  8.         System.out.println("值增加："+(number++)+" ==> "+number);
  9.         notifyAll();
  10.     }
  12.     public synchronized void decr() throws InterruptedException {
  13.         while (number <= 0){
  14.             wait();
  15.         }
  16.         System.out.println("值减少："+(number--)+" ==> "+number);
  17.         notifyAll();
  18.     }
  19. }
  21. public class ShareMain {
  22.     public static void main(String[] args) {
  23.         Share share = new Share();
  25.         new Thread(()->{
  26.             for (int i=0;i<10;i++){
  27.                 try {
  28.                     share.incr();
  29.                 } catch (InterruptedException e) {
  30.                     e.printStackTrace();
  31.                 }
  32.             }
  33.         }, "A").start();
  35.         new Thread(()->{
  36.             for (int i=0;i<10;i++){
  37.                 try {
  38.                     share.decr();
  39.                 } catch (InterruptedException e) {
  40.                     e.printStackTrace();
  41.                 }
  42.             }
  43.         }, "B").start();
  44.     }
  45. }

结果是这种交替出现的样子
image.png

多线程编程步骤

  • 创建资源类，在资源类创建属性和操作方法
  • 在资源类操作方法
    • 判断
    • 干活
    • 通知
  • 创建多个线程，调用资源类的操作方法
  • 防止虚假唤醒问题

线程间定制化通信

实现下面的场景，A打印5次，B打印10次，C打印15次，循环往复进行10轮。
image.png

  1. public class OutLock {
  2.     /**
  3.      * 定义标志位
  4.      */
  5.     private int flag = 1;
  7.     private Lock lock = new ReentrantLock();
  9.     private Condition c1 = lock.newCondition();
  10.     private Condition c2 = lock.newCondition();
  11.     private Condition c3 = lock.newCondition();
  13.     /**
  14.      * 打印A
  15.      */
  16.     public void outA() throws InterruptedException {
  17.         lock.lock();
  18.         try {
  19.             while (flag != 1){
  20.                 //等待
  21.                 c1.await();
  22.             }
  23.             for (int i=0; i<5;i++){
  24.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  25.             }
  26.             flag = 2;
  27.             //通知
  28.             c2.signal();
  29.         }finally {
  30.             lock.unlock();
  31.         }
  32.     }
  34.     /**
  35.      * 打印B
  36.      */
  37.     public void outB() throws InterruptedException {
  38.         lock.lock();
  39.         try {
  40.             while (flag != 2){
  41.                 //等待
  42.                 c2.await();
  43.             }
  44.             for (int i=0; i<10;i++){
  45.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  46.             }
  47.             flag = 3;
  48.             //通知
  49.             c3.signal();
  50.         }finally {
  51.              lock.unlock();
  52.         }
  53.     }
  55.     /**
  56.      * 打印C
  57.      */
  58.     public void outC() throws InterruptedException {
  59.         lock.lock();
  60.         try {
  61.             while (flag != 3){
  62.                 //等待
  63.                 c3.await();
  64.             }
  65.             for (int i=0; i<15;i++){
  66.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  67.             }
  68.             flag = 1;
  69.             //通知
  70.             c1.signal();
  71.         }finally {
  72.             lock.unlock();
  73.         }
  74.     }
  75. }
  78. public class OutLockMain {
  79.     public static void main(String[] args) {
  80.         OutLock outLock = new OutLock();
  81.         new Thread(() -> {
  82.             for (int i=0; i<10;i++){
  83.                 try {
  84.                     outLock.outA();
  85.                 } catch (InterruptedException e) {
  86.                     e.printStackTrace();
  87.                 }
  88.             }
  89.         }, "A").start();
  90.         new Thread(() -> {
  91.             for (int i=0; i<10;i++){
  92.                 try {
  93.                     outLock.outB();
  94.                 } catch (InterruptedException e) {
  95.                     e.printStackTrace();
  96.                 }
  97.             }
  98.         }, "B").start();
  99.         new Thread(() -> {
  100.             for (int i=0; i<10;i++){
  101.                 try {
  102.                     outLock.outC();
  103.                 } catch (InterruptedException e) {
  104.                     e.printStackTrace();
  105.                 }
  106.             }
  107.         }, "C").start();
  108.     }
  109. }

集合的线程安全

先演示一个集合的线程不安全例子

  1. ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
  2. for (int i=0;i<30;i++){
  3.     new Thread(() -> {
  4.         list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
  5.         System.out.println(list);
  6.     },String.valueOf(i)).start();
  7. }
  1. 会报出如下异常<br />![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/2961643/1646730775401-25e24b1f-7e74-4433-bb27-d04b1377d20c.png#clientId=u8f5376a5-8292-4&from=paste&height=249&id=u458a53de&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=249&originWidth=913&originalType=binary&ratio=1&size=32615&status=done&style=none&taskId=uf9f2991e-55d3-48ac-ae76-d43c6f651cd&width=913)<br />即`java.util.ConcurrentModificationException`，并发修改异常。<br />出现上述问题是因为`ArrayList`的`add()`方法没有同步，它是线程不安全的

Vector

Vector是线程安全的

  1. List<String> list = new Vector<>();
  2. for (int i=0;i<30;i++){
  3.     new Thread(() -> {
  4.         list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
  5.         System.out.println(list);
  6.     },String.valueOf(i)).start();
  7. }

但是使用Vector效率较低

Collections

Collections工具类中有_synchronizedList()_方法，可以返回一个同步的List

  1. List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
  2. for (int i=0;i<30;i++){
  3.     new Thread(() -> {
  4.         list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
  5.         System.out.println(list);
  6.     },String.valueOf(i)).start();
  7. }

CopyOnWriteArrayList

使用JUC提供的类CopyOnWriteArrayList，写时复制技术

  1. List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
  2. for (int i=0;i<30;i++){
  3.     new Thread(() -> {
  4.         list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
  5.         System.out.println(list);
  6.     },String.valueOf(i)).start();
  7. }
  1. `CopyOnWriteArrayList`采用并发读、独立写，最后再合并<br />![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/2961643/1646731669308-9f0dc7ea-8356-4f4c-b0f6-51b8d31dca08.png#clientId=u8f5376a5-8292-4&from=paste&height=275&id=ub8c4cca3&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=275&originWidth=700&originalType=binary&ratio=1&size=69339&status=done&style=none&taskId=u62b08600-cad1-4002-8f76-2f6bb17db00&width=700)