JAVA高并发编程

梦里梦外; 2022-12-11 05:22 175阅读 0赞

转载：[JAVA高并发编程][JAVA]

*   *  synchronized 关键字
        
         *  同步方法
         *  同步代码块
         *  锁的底层实现
         *  锁的种类
         *  volatile 关键字
         *  wait¬ify
         *  AtomicXxx 类型组
         *  CountDownLatch 门闩
         *  锁的重入
         *  ReentrantLock
     *  同步容器
        
         *  Map/Set
         *  List
         *  Queue
     *  ThreadPool&Executor
        
         *  Executor
         *  ExecutorService
         *  Future
         *  Callable
         *  Executors
         *  FixedThreadPool
         *  CachedThreadPool
         *  ScheduledThreadPool
         *  SingleThreadExceutor
         *  ForkJoinPool
         *  WorkStealingPool
         *  ThreadPoolExecutor

## synchronized 关键字 ##

可用来给对象和方法或者代码块加锁，当它锁定一个方法或者一个代码块的时候，同一时刻最多只有一个线程执行这段代码。可能锁对象包括： this， 临界资源对象，Class 类对象

### 同步方法 ###

同步方法锁定的是当前对象。当多线程通过同一个对象引用多次调用当前同步方法时， 需同步执行。

public synchronized void test(){
            System.out.println("测试一下");
        }
       
        
       
        
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### 同步代码块 ###

同步代码块的同步粒度更加细致，是商业开发中推荐的编程方式。可以定位到具体的同步位置，而不是简单的将方法整体实现同步逻辑。在效率上，相对更高。  
**锁定临界对象**  
同步代码块在执行时，是锁定 object 对象。当多个线程调用同一个方法时，锁定对象不变的情况下，需同步执行。

public void test(){
            synchronized(o){
                System.out.println("测试一下");
            }
        }
       
        
       
        
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**锁定当前对象**

public void test(){
            synchronized(this){
                System.out.println("测试一下");
            }
        }
       
        
       
        
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### 锁的底层实现 ###

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现。同步方法 并不是由 monitor enter 和 monitor exit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC\_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。  
**![对象内存简图][70]**

**对象头**：存储对象的 hashCode、锁信息或分代年龄或 GC 标志，类型指针指向对象的类元数据，JVM 通过这个指针确定该对象是哪个类的实例等信息。  
**实例变量**：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息  
**填充数据**：由于虚拟机要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐  
*当在对象上加锁时，数据是记录在对象头中。当执行 synchronized 同步方法或同步代码块时，会在对象头中记录锁标记，锁标记指向的是 monitor 对象（也称为管程或监视器锁） 的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。*  
在 Java 虚拟机(HotSpot)中，monitor 是由 ObjectMonitor 实现的。  
ObjectMonitor 中有两个队列，\_WaitSet 和 \_EntryList，以及\_Owner 标记。其中\_WaitSet 是用于管理等待队列(wait)线程的，\_EntryList 是用于管理锁池阻塞线程的，\_Owner 标记用于记录当前执行线程。线程状态图如下：

![这里写图片描述][70 1]

当多线程并发访问同一个同步代码时，首先会进入\_EntryList，当线程获取锁标记后，  
monitor 中的\_Owner 记录此线程，并在 monitor 中的计数器执行递增计算（+1），代表锁定，其他线程在\_EntryList 中继续阻塞。若执行线程调用 wait 方法，则 monitor 中的计数器执行赋值为 0 计算，并将\_Owner 标记赋值为 null，代表放弃锁，执行线程进如\_WaitSet 中阻塞。若执行线程调用 notify/notifyAll 方法，\_WaitSet 中的线程被唤醒，进入\_EntryList 中阻塞，等待获取锁标记。若执行线程的同步代码执行结束，同样会释放锁标记，monitor 中的\_Owner 标记赋值为 null，且计数器赋值为 0 计算。

### 锁的种类 ###

Java 中锁的种类大致分为偏向锁，自旋锁，轻量级锁，重量级锁。  
锁的使用方式为：先提供偏向锁，如果不满足的时候，升级为轻量级锁，再不满足，升级为重量级锁。自旋锁是一个过渡的锁状态，不是一种实际的锁类型。  
锁只能升级，不能降级。

**重量级锁**

在锁的底层实现中解释的就是重量级锁。

**偏向锁**

是一种编译解释锁。如果代码中不可能出现多线程并发争抢同一个锁的时候，JVM 编译代码，解释执行的时候，会自动的放弃同步信息。消除 synchronized 的同步代码结果。使用锁标记的形式记录锁状态。在 Monitor 中有变量 ACC\_SYNCHRONIZED。当变量值使用的时候， 代表偏向锁锁定。可以避免锁的争抢和锁池状态的维护。提高效率。

**轻量级锁**  
过渡锁。当偏向锁不满足，也就是有多线程并发访问，锁定同一个对象的时候，先提升为轻量级锁。也是使用标记 ACC\_SYNCHRONIZED 标记记录的。ACC\_UNSYNCHRONIZED 标记记录未获取到锁信息的线程。就是只有两个线程争抢锁标记的时候，优先使用轻量级锁。  
两个线程也可能出现重量级锁。

**自旋锁**  
是一个过渡锁，是偏向锁和轻量级锁的过渡。  
当获取锁的过程中，未获取到。为了提高效率，JVM 自动执行若干次空循环，再次申请锁，而不是进入阻塞状态的情况。称为自旋锁。自旋锁提高效率就是避免线程状态的变更。

### volatile 关键字 ###

变量的线程可见性。在 CPU 计算过程中，会将计算过程需要的数据加载到 CPU 计算缓存中，当 CPU 计算中断时，有可能刷新缓存，重新读取内存中的数据。在线程运行的过程中，如果某变量被其他线程修改，可能造成数据不一致的情况，从而导致结果错误。而 volatile 修饰的变量是线程可见的，当 JVM 解释 volatile 修饰的变量时，会通知 CPU，在计算过程中， 每次使用变量参与计算时，都会检查内存中的数据是否发生变化，而不是一直使用 CPU 缓存中的数据，可以保证计算结果的正确。  
volatile 只是通知底层计算时，CPU 检查内存数据，而不是让一个变量在多个线程中同步。

volatile int count = 0;
       
        
       
        
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### wait&notify ###

### AtomicXxx 类型组 ###

原子类型。  
在 concurrent.atomic 包中定义了若干原子类型，这些类型中的每个方法都是保证了原子操作的。多线程并发访问原子类型对象中的方法，不会出现数据错误。在多线程开发中，如果某数据需要多个线程同时操作，且要求计算原子性，可以考虑使用原子类型对象。

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        void m(){
            count.incrementAndGet();
        }
       
        
       
        
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注意：原子类型中的方法是保证了原子操作，但多个方法之间是没有原子性的。如：

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0); 
    if(i.get() != 5){
        i.incrementAndGet();
    }
       
        
       
        
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*在上述代码中，get 方法和 incrementAndGet 方法都是原子操作，但复合使用时，无法保证原子性，仍旧可能出现数据错误。*

### CountDownLatch 门闩 ###

门闩是 concurrent 包中定义的一个类型，是用于多线程通讯的一个辅助类型。  
门闩相当于在一个门上加多个锁，当线程调用 await 方法时，会检查门闩数量，如果门

闩数量大于 0，线程会阻塞等待。当线程调用 countDown 时，会递减门闩的数量，当门闩数量为 0 时，await 阻塞线程可执行。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
 void m1(){
 try {
 latch.await();// 等待门闩开放。
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("m1() method");
 }
 
 void m2(){
 for(int i = 0; i < 10; i++){
 if(latch.getCount() != 0){
 System.out.println("latch count : " + latch.getCount());
 latch.countDown(); // 减门闩上的锁。
 }
 try {
 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("m2() method : " + i);
 }<div class="hljs-button {2}" data-title="复制" data-report-click="{"spm":"1001.2101.3001.4259"}"></div></code><ul class="pre-numbering" style=""><li style="color: rgb(153, 153, 153);">1</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">2</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">3</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">4</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">5</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">6</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">7</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">8</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">9</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">10</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">11</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">12</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">13</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">14</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">15</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">16</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">17</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">18</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">19</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">20</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">21</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">22</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">23</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">24</li><li style="color: rgb(153, 153, 153);">25</li></ul></pre>

### 锁的重入 ###

在 Java 中，同步锁是可以重入的。只有同一线程调用同步方法或执行同步代码块，对同一个对象加锁时才可重入。  
当线程持有锁时，会在 monitor 的计数器中执行递增计算，若当前线程调用其他同步代码，且同步代码的锁对象相同时，monitor 中的计数器继续递增。每个同步代码执行结束，  
monitor 中的计数器都会递减，直至所有同步代码执行结束，monitor 中的计数器为 0 时，释放锁标记，\_Owner 标记赋值为 null。

### ReentrantLock ###

重入锁，建议应用的同步方式。相对效率比 synchronized 高。量级较轻。  
synchronized 在 JDK1.5 版本开始，尝试优化。到 JDK1.7 版本后，优化效率已经非常好了。在绝对效率上，不比 reentrantLock 差多少。  
使用重入锁，必须必须必须手工释放锁标记。一般都是在 finally 代码块中定义释放锁标记的 unlock 方法。

**公平锁**

![这里写图片描述][70 2]

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 public void run(){
 for(int i = 0; i < 5; i++){
 lock.lock();
 try{
 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
 }finally{
 lock.unlock();
 }
 }
 }
 
 
 
 
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8ThreadLocal

remove 问题  
![这里写图片描述][70 3]

## 同步容器 ##

解决并发情况下的容器线程安全问题的。给多线程环境准备一个线程安全的容器对象。线程安全的容器对象： Vector, Hashtable。线程安全容器对象，都是使用 synchronized  
方法实现的。  
concurrent 包中的同步容器，大多数是使用系统底层技术实现的线程安全。类似 native。  
Java8 中使用 CAS。

### Map/Set ###

**ConcurrentHashMap/ConcurrentHashSet**

底层哈希实现的同步 Map(Set)。效率高，线程安全。使用系统底层技术实现线程安全。量级较 synchronized 低。key 和 value 不能为 null。

**ConcurrentSkipListMap/ConcurrentSkipListSet**

底层跳表（SkipList）实现的同步 Map(Set)。有序，效率比 ConcurrentHashMap 稍低。

![这里写图片描述][70 4]

### List ###

**CopyOnWriteArrayList**

写时复制集合。写入效率低，读取效率高。每次写入数据，都会创建一个新的底层数组。

### Queue ###

**ConcurrentLinkedQueue**

基础链表同步队列。

**LinkedBlockingQueue**  
阻塞队列，队列容量不足自动阻塞，队列容量为 0 自动阻塞。

**ArrayBlockingQueue**  
底层数组实现的有界队列。自动阻塞。根据调用 API（add/put/offer）不同，有不同特性。  
当容量不足的时候，有阻塞能力。  
add 方法在容量不足的时候，抛出异常。  
put 方法在容量不足的时候，阻塞等待。  
offer 方法，  
单参数 offer 方法，不阻塞。容量不足的时候，返回 false。当前新增数据操作放弃。三参数 offer 方法（offer(value,times,timeunit)），容量不足的时候，阻塞 times 时长（单  
位为 timeunit），如果在阻塞时长内，有容量空闲，新增数据返回 true。如果阻塞时长范围  
内，无容量空闲，放弃新增数据，返回 false。

**DelayQueue**  
延时队列。根据比较机制，实现自定义处理顺序的队列。常用于定时任务。如：定时关机。

**LinkedTransferQueue**  
转移队列，使用 transfer 方法，实现数据的即时处理。没有消费者，就阻塞。

**SynchronusQueue**  
同步队列，是一个容量为 0 的队列。是一个特殊的 TransferQueue。必须现有消费线程等待，才能使用的队列。  
add 方法，无阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则抛出异常。  
put 方法，有阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则阻塞。

## ThreadPool&Executor ##

### Executor ###

线程池顶级接口。  
常用方法 - void execute(Runnable)  
作用是： 启动线程任务的。

### ExecutorService ###

Executor 接口的子接口。  
常见方法 - Future submit(Callable)， Future submit(Runnable)

### Future ###

未来结果，代表线程任务执行结束后的结果。

### Callable ###

可执行接口。  
接口方法 ： Object call();相当于 Runnable 接口中的 run 方法。区别为此方法有返回值。不能抛出已检查异常。  
和 Runnable 接口的选择 - 需要返回值或需要抛出异常时，使用 Callable，其他情况可任意选择。

### Executors ###

工具类型。为 Executor 线程池提供工具方法。类似 Arrays，Collections 等工具类型的功用。

### FixedThreadPool ###

容量固定的线程池  
queued tasks - 任务队列  
completed tasks - 结束任务队列

### CachedThreadPool ###

缓存的线程池。容量不限（Integer.MAX\_VALUE）。自动扩容。默认线程空闲 60 秒，自动销毁。

### ScheduledThreadPool ###

计划任务线程池。可以根据计划自动执行任务的线程池。

### SingleThreadExceutor ###

单一容量的线程池。

### ForkJoinPool ###

分支合并线程池（mapduce 类似的设计思想）。适合用于处理复杂任务。初始化线程容量与 CPU 核心数相关。  
线程池中运行的内容必须是 ForkJoinTask 的子类型（RecursiveTask,RecursiveAction）。

### WorkStealingPool ###

JDK1.8 新增的线程池。工作窃取线程池。当线程池中有空闲连接时，自动到等待队列中窃取未完成任务，自动执行。  
初始化线程容量与 CPU 核心数相关。此线程池中维护的是精灵线程。  
ExecutorService.newWorkStealingPool();

### ThreadPoolExecutor ###

线程池底层实现。除 ForkJoinPool 外，其他常用线程池底层都是使用 ThreadPoolExecutor  
实现的。  
public ThreadPoolExecutor  
(int corePoolSize, // 核心容量

int maximumPoolSize, // 最大容量  
long keepAliveTime, // 生命周期，0 为永久  
TimeUnit unit, // 生命周期单位  
BlockingQueue workQueue // 任务队列，阻塞队列。  
);

[JAVA]: https://blog.csdn.net/cx105200/article/details/80220937?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522160128318119725255503146%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=160128318119725255503146&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~top_click~default-1-80220937.pc_first_rank_v2_rank_v28&utm_term=java%20%E5%B9%B6%E5%8F%91%E7%BC%96%E7%A8%8B&spm=1018.2118.3001.4187#synchronized-%E5%85%B3%E9%94%AE%E5%AD%97
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[70 2]: /images/20221123/a6622159827f402c9ffc17aeced33acb.png
[70 3]: /images/20221123/8df2bef9326d442e907280c786996db5.png
[70 4]: /images/20221123/7255f5e9206b4b1eb61ffe689c3ddd2e.png