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【一篇吃透面试八股】——Java并发编程：JUC篇

目录

JUC——java高级并发

思考题：交替执行的思路

  • ①wait与notify，一个执行完了就notify，同时自己wait【Plus版就是多个Condition精准通知】
  • ②纯标志控制【不推荐，难以检查】
  • ③synchronousQueue：同步队列，生产了，必须消费完才能再生产另一个【虽然确实是ABAB，但是打印这个动作可能延后，如果严格要求还是使用方案①】

零、解决线程同步的三大方法

  • 互斥量法——锁机制【即Lock、Syn等】
  • 事件控制法——阻塞与唤醒【wait、notify】
  • 信号量法——生产者消费者模型【此方法归根到底还是前两种方法，或者看成前两种方法的一种应用】

一、JUC——java-util-concurrent包

1
是一个并发处理的工具包

Runnable：没有返回值，效率比Callable低

二、线程和进程

2.1 程序、进程、线程

程序： 用户编写的代码

进程： 程序的一次执行过程【一个可运行jar包的一次执行过程就是一个进程】

线程： 一个进程往往包含多个线程

java默认几个线程——2个

  • main线程

  • gc线程

线程举例：Typora软件，一个线程负责程序输入，一个线程负责自动保存，一个线程负责统计字数等。

2.2 线程管理

要明白，线程的创建不是java所能实现的，其本质是通过C++的本地方法来开启。

对于java而言：三种开启线程的方式Thread、Runnable、Callable、还可以通过Lambda表达式

2.3 并发VS并行

并发：在一核CPU中模拟多个线程，通过快速交替造成同时执行的假象。（宏观多个，微观1个）

并行：多个线程同时执行（始终多个）

8核心16线程：实际上只有8个核心，但是通过超线程技术，让cpu最多可以运行16个线程

并发编程的本质：充分利用CPU的资源

public static void main(String[] args) {
   
    // 得出cpu逻辑核心数，即最大能运行的线程数
    System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
}
2.4 线程状态（java实现的）

获取状态

Thread thread = new Thread();
thread.getState();
// 结果一定是以下枚举之一

状态枚举

public enum State {
   
    // 新生
    NEW,
    // 运行
    RUNNABLE,
    // 阻塞
    BLOCKED,
    // 等待
    WAITING,
    // 超时等待
    TIMED_WAITING,
    // 终止
    TERMINATED;
}
2.5 wait/sleep区别

①来自不同的类

  • wait——Object类

  • sleep——Thread类【很少用】

我们很少直接使用sleep方法，而是使用TimeUnit方法

TimeUnit.SECONDS.sleep(100);

②锁的释放

  • wait——释放锁
  • sleep——抱着锁睡觉【不会释放锁】
  • TimeUnit睡觉不会释放锁

③使用的范围不同

  • wait：在同步代码块中使用【你得先使用】，否则报IlleaglMonitorStateException

  • sleep：任何都可使用

三、Lock锁

3.0 原理

Lock锁其实锁的是这个锁本身，就像syn锁对象一样，只不过它锁的是自己。

当多个线程尝试去拿到锁时，发现已经被拿了，就会阻塞！

而且Lock是可重入的，可以多次lock

3.1 锁的体系

在这里插入图片描述

3.2 ReentrantLock构造方法

默认是非公平锁。如果传true——公平锁，传false——非公平锁

在这里插入图片描述

公平锁：公平——必须先来后到【容易造成效率问题，如3s钟进程等3h进程，低效】

非公平锁：不公平——可以插队（默认）

3.3 Lock的使用
public class Test{
   
    // 1、创建锁
	private Lock lock = new ReentrantLock();    
	public void test(){
   
        // 2、加锁 
        lock.lock();
        try{
   
            // 业务代码    
        }catch(Exception e){
   
            e.printStackTrace();
        }finally{
   
            // 3、解锁
            lock.unlock();
        }
    }
}
// 
public static void main(){
   
        Test ticket2 = new Test();
        new Thread(()->{
   for (int i = 0; i < 50; i++) ticket2.sell();},"A").start();
        new Thread(()->{
   for (int i = 0; i < 50; i++) ticket2.sell();},"B").start();
        new Thread(()->{
   for (int i = 0; i < 50; i++) ticket2.sell();},"C").start();
}
3.4 Syn和Lock的区别

1、syn是内置的java关键字、Lock是一个类！

2、syn无法是隐式锁，不利于判断，Lock是显式锁，可以直观判断是否获取到锁

3、syn是全自动的，执行完后会自动释放锁。Lock必须手动释放锁【如果不释放锁，可能会造成死锁问题】

4、tryLock方法

  • 使用syn，如果一个线程获得了锁，另一个线程就一直等待。如果拿着锁的线程阻塞了，另一个线程就持续等待。

  • lock锁有一个trylock方法，可以避免等待情况【使用场景：先尝试，尝试成功就执行同步方法，否则先去执行其他的】

5、公平性

  • syn一定是非公平的；
  • lock可以自己设置公平与非公平

6、syn 适合锁少量的代码同步问题，lock适合大量的同步代码

总结：Lock非常灵活！Syn就像手动挡，而Lock就像自动挡

四、生产者和消费者问题

4.0 问题描述

生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，如下图所示，生产者向空间里存放数据，而消费者取用数据。我们需要通过代码保证该模型的正确执行

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uDY7d52S-1649568717503)(java并发编程——JUC/2011091018554595.gif)]

注意以下几点：

  • 消费者消费完了应该等待生产者生产，产品数量不能为负数
  • 生产者生产的产品数量应当小于空间容量，当空间容量满时停止生产，将空间使用权交给消费者
4.1 Syn实现
package juc.pc;

/**
 * 生产者-消费者问题
 * 问题描述：
 * 两个线程交替执行操作num，即缓冲区容量为1的情况
 * A num+1
 * B num-1
 * 如果没有线程通信机制，是无法实现的，可以通过《等待-唤醒》来操作
 */

public class OldVersion {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        Data data = new Data();
        new Thread(() -> {
   
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
                try {
   
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "A").start();
        new Thread(() -> {
   
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
                try {
   
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "B").start();
        new Thread(() -> {
   
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
                try {
   
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "C").start();
        new Thread(() -> {
   
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
                try {
   
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "D").start();
    }
}

// 等待-业务-通知
// 判断是否等待，不需要等待就干活，干完就通知
class Data {
   
    private int number = 0;

    // +1
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
   
        // 这个判断是起一个保证作用，实际上顺序如果比较巧合的话，不会有任何线程被挂起！
        while (number != 0) {
   
            this.wait();
        }
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + number);
        // 通知
        this.notifyAll();
    }

    // -1
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
   
        while (number == 0) {
   
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + number);
        // 通知
        this.notifyAll();
    }
}


// 曾经疑惑
// 用if：
// 如果生产者还没生产，CPU两次调度消费者怎么办，第二次就接着判断向下了
// 不用担心，因为调度一次后，发现需要等待，就会把这个线程挂起了，除非有别人notify，所以该线程是无法被调度的
// 但是，这个问题并没有彻底解决！
// 如果只有两个线程，确实不会有问题。但如果是多个线程，例如一个生产者，两个消费者，那么生产者A生产完之后notify，会醒来一个消费者B，消费者消费完后又notify，就会把另一个消费者C也唤醒了，此时货物为0，但是C已经经过判断，所以会继续向下执行，就会造成货物数量为-1

// 所以，一定要用while
// 用while之后，循环判断，被唤醒后会再次检查判断条件，从而避免了虚假唤醒的问题

/**
 * 虚假唤醒问题：
 * 如果用if作为判断wait的条件，那么假如此线程挂起后再次被唤醒，将会从wait之后的代码继续进行！
 * 但是用while作为判断条件，该线程再次被唤醒时又回到了判断条件，符合才能继续执行。
 *
 * 所谓虚假唤醒：就是本不该唤醒你，结果给你唤醒了。
 * --------
 * 唤醒信号丢失问题：
 * 那么，为什么要用notifyAll这种东西呢。因为当有多个线程时，可能会出现信号丢失问题，比如这个例子，有三个线程，两个线程+1，第三个线程-1，那么A线程+1后挂起，又调用B线程，B线程发现已经加过1了，也挂起，然后，C线程-1，唤醒A【先进先出】，C也被挂起。
 *
 * A被唤醒后，发现条件满足，+1后唤醒的是B【】，接着被挂起到C后面
 * B被唤醒后，发现已经+1过了，便挂起。
 * 此时三个线程都被永远挂起，再也无法醒来！！
 *
 * 所以要用notifyAll + while循环，notifyAll唤醒所有的线程，所有线程竞争，不符合运行条件的【即被虚假唤醒的】再次被挂起！从而解决了虚假唤醒的问题。也解决了notify丢失的问题！
 *
 * 总结：如果真的是随机唤醒的话，notify有概率解决问题，因为只唤醒一个，如果恰好唤醒的是对的，一点问题都没有，如果唤醒错的，则造成notify丢失。
 * 引入notifyall会导致所有线程唤醒，此时while就可以让他们回去睡觉，保证程序正常执行！
 */

总结：

1、代码设计思路：

一个Data类，里面放着生产方法和消费方法，通过创建多个线程，每个线程分别只调用生产或消费方法，来模拟生产者和消费者！

这样由于一个实例只有一把锁，所以很安全！

2、当设计多个生产者和多个消费者时，我们通常用while循环检查+notifyAll全部唤醒来解决！

  • 为什么while——防止虚假唤醒
  • 为什么notifyAll——防止唤醒信号丢失

不足：浪费cpu资源，如果线程很多，notifyall会造成大量切换上下文

4.2 Lock版的实现
①Condition

  • 旧的三板斧：syn + wait + notify

  • 新的三板斧：lock + await + signal

condition替换了原来老的对象监视器

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
condition.await();
condition.signalAll();

深入理解：

这里的condition是由lock创建的，这一点已经很清楚的告诉我们了为什么wait、notify要配合syn使用。

syn关键字出现的时候，锁的一定是某个对象【即使锁的是Class，其本质也是锁的Class对象】

wait需要知道将当前线程放在哪个对象的等待队列中。所以需要配合监视器【Monitor】。就像这里的condition.await()，就能得知，要将当前线程放在lock对象的等待队列中。

syn锁某个对象时，相当于声明了接下来要监视的就是这个对象。此时再配合wait方法，就知道要将当前线程放在syn的对象中了！

  • 任何对象都有一个monitor，当它被持有后，将处于锁定状态。

  • syn本质是在代码段首和段位分别添加了monitorenter和monitorexit指令

根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁，如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁【可重入】，把锁的计数器加1；相应地，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器被减到0时，锁就释放了。当另一个线程来检查该计数器，发现大于0时，就获取失败

②实现
class Data1 {
   
    private int number = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    // +1
    public void increment() throws InterruptedException {
   
        lock.lock();
        try {
   
            while (number != 0) {
   
                condition.await();
            }
            number++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + number);
            // 通知
            condition.signalAll();
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }
    // -1
    public void decrement() throws InterruptedException {
   
        lock.lock();
        try {
   
            while (number == 0) {
   
                condition.await();
            }
            number--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + number);
            // 通知
            condition.signalAll();
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }
}
  • lock与wait

如上，wait后，线程会释放锁，而唤醒只是让这些线程可以重新竞争锁，竞争成功的获取到锁，这个过程是隐式的，其他的仍然没有锁，处于等待状态。

当然，这里面的详细过程是，消费者消费了一个，唤醒全部，有可能其他消费者拿到锁了，上CPU，结果循环检查不通过，又wait，同时释放了锁

4.3 condition精准唤醒

问题：传统的notify只能做到随机唤醒，通过condition，我们可以做到精准唤醒

jvm规范种对于notify的规范是随机唤醒，但是实际上取决于每个jvm的实现。而广为使用的hotspot对于notify的实现是先进先出的唤醒！！

这里还是有一些区别的，condition是由lock创建的，但是实质上阻塞的时候是挂在condition上了，即把condition当作资源。但是一定要配合锁使用，即只有持有锁的时候，才有资格去await

class Method {
   
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition1 = lock.newCondition();
    Condition condition2 = lock.newCondition();
    Condition condition3 = lock.newCondition();
    State state = State.A;

    public void funcA() {
   
        lock.lock();
        try {
   
            while (state != State.A) {
   
                condition1.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>AAAAA");
            condition2.signal();
            state = State.B;
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }
}

五、syn详解

5.0 syn能锁什么

首先要明白，syn只能锁对象

  • 类的实例
  • 类对象

在此基础上，根据具体情况判断

  • 锁static方法，则锁的是类对象；否则锁的是实例
  • syn同步块，传入类对象，则锁类对象；否则锁实例
5.1 syn方法

syn方法锁的是方法的调用者，所以如果是static的，就会把类给锁了

public synchronized void sendMs1(){
   
    //锁实例
}

public static synchronized void sendMs2(){
   
    //锁类对象
}

public void sendMs3(){
   
    //普通方法不受锁影响 
}
5.2 syn块
public void send(){
   
    synchronized(Test.class){
   
	// 锁类
    }
    
    synchronized(this){
   
	// syn（this）就是锁当前实例
    }
}
5.3 说明
  • 每个实例对象都有一把锁，如果创建了两个对象，则锁一个不影响另一个执行
  • 每个类对象只有一把锁，如果类的锁被占用，则必须等待
  • 普通方法不受锁的影响

锁类对象的方法有三种

  • 直接syn静态方法

  • syn (类.class)

  • syn (this.getClass())

六、集合类不安全！

并发条件下，现有的集合类是不安全的。同时写入会报错：ConcurrentModificationException

根本原因是：modCount和expectedModCount不一致

6.1 ArrayList
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
    List<String> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
   
        new Thread(()->{
   
            list.add("a");
        }).start();
    }
    Thread.yield();
    System.out.println(list.

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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