JCU

1. JUC多线程以及高并发
- 1.1. 一些概念
- 1.2. 卖票案例
- 1.3. 生产者-消费者问题
- 1.4. 线程8锁
- 1.5. list和map线程不安全问题
- 1.6. Callable接口
- 1.7. CountDownLatch
- 1.8. CyclicBarrier
- 1.9. BlockingQueue
- 1.10. ReadWriteLock和Semaphore
- 1.11. 线程池
- - 1. 线程池的工作原理
  - 2. 特点
  - 3. 优势
  - 4. 创建线程池
  - 5. 线程池的7大参数
  - 6. 线程池的工作原理
  - 7. 线程池如何设置参数

1. JUC多线程以及高并发

java.util.concurrent在并发编程中使用的工具类：并发包，并发原子包，并发lock包

请添加图片描述

1.1. 一些概念

进程：运行在后台的某个程序

线程：概念性的东西就不重复了，，，可参考OS书上的解释

并行：在某一个时刻只有一个线程在工作

并发：多个线程同一时间点抢争同一个资源

线程的6个状态：NEW，RUNNABLE就绪，WAITING等待，BLOCKED阻塞，TIMED_WAITING等待超时, TERMINATED

线程的sleep和wait会导致线程进入到BLOCKED，但是sleep并不释放锁，进入锁池或者等待池，唤醒之后可以主动竞争锁；而wait会释放锁，需要唤醒

1.2. 卖票案例

在高内聚低耦合的前提下，线程操纵（通过资源类对外暴露的方法供线程使用）资源类

package com.hz.juc;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// 定义资源类
class Ticket {

    private int number = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock(); // 可重入的互斥锁

    public void sale(){
        lock.lock();
        try{
            if(number > 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 卖出第：\" + (number--) + \"还剩下：\" + number);
            }else{
                System.out.println(\"票已抢完...\");
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

/**
 * 在高内聚低耦合的前提下，线程操纵(对外暴露调用方法供其他线程使用)调用资源类
 *
 */
public class SaleTicket {

    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        // Thread(Runnable target, String name)
        // 匿名内部类
//        new Thread(new Runnable() {
//            @Override
//            public void run() {
//                for (int i = 0; i < 110; i++) {
//                   ticket.sale();
//                }
//            }
//        }, \"t1\").start();
//        new Thread(new Runnable() {
//            @Override
//            public void run() {
//                for (int i = 0; i < 110; i++) {
//                    ticket.sale();
//                }
//            }
//        }, \"t2\").start();
//        new Thread(new Runnable() {
//            @Override
//            public void run() {
//                for (int i = 0; i < 110; i++) {
//                    ticket.sale();
//                }
//            }
//        }, \"t3\").start();
        // lambda表达式
        new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 110; i++) { ticket.sale(); }}, \"t1\").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 110; i++) { ticket.sale(); }}, \"t2\").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 110; i++) { ticket.sale(); }}, \"t3\").start();
    }
}

1.3. 生产者-消费者问题

两个线程，可以操作初始值为0的一个变量,实现一个线程对该变量加1,一个线程对该变量-1。实现交替,重复10轮;
判断资源是否还有 -> 操作资源的方法 -> 通知线程

class Mutex{
    private int number = 0;

    public synchronized void product() throws InterruptedException {
        // 判断当前互斥变量是否为0 第一次初始值为0 则跳过if 如果不为0 则当前线程进行等待
        while(number != 0) {
            this.wait();
        }
        // 使用资源
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 生产资源：\" + number);
        // 通知 由于使用wait方法等待会释放锁 所以使用资源结束需要唤醒进程(判断条件不能用if 只能用while)
        this.notifyAll();
    }

    public synchronized void consumer() throws InterruptedException {
        while(number == 0){
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 消费资源：\" + number);
        this.notifyAll();
    }
}

public class ProducerAndCustomer {

    public static void main(String[] args) {
        Mutex mutex = new Mutex();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try{
                    mutex.product();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, \"t1\").start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                try{
                    mutex.consumer();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, \"t2\").start();
    }
}

控制台打印输出：
请添加图片描述
可以正确的输出1，0，1，0…证明使用了synchronized+wait+notify(/notifyAll)可以解决线程并发问题。

在JDK1.8版本之后，JCU中出现了新的方法来解决JCU中的lock替代之前的synchronized，Condition中的方法await和signal替换之前的wait和notify(或notifyAll)

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class Mutex2{
    private int number = 0;
    final Lock lock = new ReentrantLock();
    final Condition condition = lock.newCondition();

    public void producer(){
        lock.lock();
        try{
            while(number != 0){
                condition.await();
            }
            number++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 生产资源：\" + number);
            condition.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consumer(){
        lock.lock();
        try{
            while(number == 0){
                condition.await();
            }
            number --;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 消费资源：\" + number);
            condition.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class ProducerAndCustomer_2 {

    public static void main(String[] args) {
        Mutex2 mutex = new Mutex2();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try{
                    mutex.producer();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, \"t1\").start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                try{
                    mutex.consumer();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, \"t2\").start();
    }
}

但是新方法的特性可以解决以前多线程交互中的虚假唤醒问题，如果想要实现：
多线程之间按顺序调用实现 A -> B -> C
lock配合Condition使用：精确通知精准唤醒

class ShareResources{
    private int mutex = 1;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();

    public void print5(){
        lock.lock();
        try{
            while(mutex != 1){
               condition1.await();
            }
            for (int i = 1; i <= 5; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 第\" + i + \"次\");
            }
            // 通知 精确唤醒2 修改标志位
            mutex = 2;
            condition2.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void print10(){
        lock.lock();
        try{
            while(mutex != 2){
                condition2.await();
            }
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 第\" + i + \"次\");
            }
            // 通知 精确唤醒1 修改标志位
            mutex = 3;
            condition3.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void print15(){
        lock.lock();
        try{
            while(mutex != 3){
                condition3.await();
            }
            for (int i = 1; i <= 15; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \" 第\" + i + \"次\");
            }
            // 通知 精确唤醒 修改标志位
            mutex = 1;
            condition1.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
public class ProducerAndCustomer_3 {

    public static void main(String[] args) {

        ShareResources resources = new ShareResources();

        new Thread( () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                resources.print5();
            }
        }, \"t1\").start();
        new Thread( () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                resources.print10();
            }
        }, \"t2\").start();
        new Thread( () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                resources.print15();
            }
        }, \"t3\").start();
    }
}

这里对于三个方法设置了3个不同的condition相当于三把钥匙，对于打印方法1，判断条件为当前互斥变量mutex是否等于1，不等于1则当前线程进入到while条件里，进项等待，反之进行打印输出，并且通知下一个需要工作的线程（也就是修改标志位），并且唤醒下一个线程（做到了精确唤醒）；2和3的流程类似，形成按照顺序A->B->C->A的执行链。

1.4. 线程8锁

class Phone{

    public static synchronized void sendEmail(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4); // 暂停4秒钟
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(\"发送邮件...\");
    }

    public static synchronized void sendWechat(){
        System.out.println(\"发微信...\");
    }

    public void watchMovie(){
        System.out.println(\"看电影...\");
    }

}

public class Lock8 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Phone phone1 = new Phone();
//        Phone phone2 = new Phone();

        new Thread(() -> {
            try{
                phone1.sendEmail();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }, \"t1\").start();
        Thread.sleep(100);

        new Thread(() -> {
            try{
              phone1.sendWechat();
//              phone1.watchMovie();
//                phone2.sendWechat();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }, \"t2\").start();

    }
}

标准访问，先打印邮件再执行发微信
邮件先暂停4秒，先打印邮件再打印微信

以上两种锁较为简单，一个类里面如果有多个synchronized普通方法，某一个时刻内，只能有一个线程去调用其中的一个synchronized方法，其他的线程只能等待；锁的是当前访问对象this(调用者)，被锁定后，其他实例对象的线程都不能进入到当前对象的其他synchronized方法

新增一个普通方法，邮件先暂停4秒，先打印看电影再打印发邮件：由于新增加的方法并没有加上synchronized上锁，并不需要和发邮件方法去抢占资源，所以可以直接调用watchMovie方法
两个资源类，两个同步普通方法，邮件暂停4秒，先执行发微信再执行发邮件： sendEmail方法锁的是当前对象phone1，而phone2是另一个对象，不是同一把锁，各用各的，所以phone2的方法先执行
两个静态同步方法，同一个资源，邮件暂停4秒，先打印邮件再打印微信
两个静态同步方法，两个资源，邮件暂停4秒，先打印邮件再打印微信

由于静态同步方法锁的是所在的整个类模板(类锁)，加锁的对象从实例对象变成类，无论有多少资源，同一个时刻只能有一个线程去调用方法，与情况4相反

1个普通同步方法1个静态同步方法，1个资源，邮件暂停4秒，先执行发微信再执行发邮件
1个普通同步方法1个静态同步方法，2个资源，邮件暂停4秒，先执行发微信再执行发邮件

普通同步方法锁的是当前new出来的实例对象(this)，而静态同步方法锁的是这个类模板(.class),一个是对象锁一个是类锁，互不影响，所以微信方法执行；对于两个资源，一个实例对象也是一个新的对象锁，与类锁也不会竞争

1.5. list和map线程不安全问题

举例说明list是线程不安全的：线程数增加时，出现java.util.ConcurrentModificationException也就是常说的并发修改异常

public class ListAndMap {

    public static void main(String[] args) {
        // 当线程数增多时会出现异常：java.util.ConcurrentModificationException并发修改异常
        // 导致原因：add方法并没有加线程安全
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
                System.out.println(list);
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

出现的原因是：对于ArrayList的源码中的add方法并没有加锁导致，同一时刻可以有多个线程进行调用
请添加图片描述
解决方案：

使用List的前身Vector，由于Vector的add方法是加上synchronized关键字的，即加锁，可防止多个线程同时调用；但是同一时刻只能有一个对象调用，因此使用vector的访问效率较低
使用Collections工具类中的synchronizedList方法将ArrayList加锁；
使用CopyOnWriteArrayList写时复制容器，底层所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。通过源码分析：

在容器中添加元素时，不直接在当前容器中Object[]添加，而是先将当前容器Object[]进行copy(使用Arrays工具类中的copyOf方法)，复制出一个新的容器Object[] newElements；然后在的容器Object[] newElements中添加元素，添加元素之后，将原容器的引用指向新的容器setArray(newElements)。可以对CopyOrWrite容器进行并发的读，不需要加锁，因为当前容器并不会添加新的元素，所以CopyOrWrite容器也是一种读写分离的思想

测试打印输出：程序可以正常运行
请添加图片描述

关于HashSet也是同理解决线程不安全的问题，HashSet底层就是HashMap，add方法就是调用HashMap中的put方法，而对于value是一个固定的常量PRESENT

同理，使用使用Collections工具类中的synchronizedSet方法将HashSet加锁；或者CopyOnWriteArraySet；

Collections.synchronizedMap()或者ConcurrentHashMap来解决map的线程不安全问题。

HashMap的底层是数组+链表+红黑树，默认初始值16，负载因子0.75（可修改），当size达到12时，map会进行扩容（翻倍），插入数据时，比较hash地址，如果地址相同，并且插入的key与之前在该位置的key相同，则替换之前的value，如果不相同，该hash地址则进行链表存储（链地址法）；当size>8时单向链表变成红黑树存储

1.6. Callable接口

多线程中，获得多线程的方式：

继承Thread类，重写run
方法实现Runnable接口，重写run方法：

创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread类的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。

callable和Runnable接口的区别：

callable接口需要重写的方法名为call，后者为run；
callable接口需要重写的方法有返回值，后者没有；
callable接口需要重写的方法会抛异常，后者没有

通过Callable接口和FutureTask：创建Callable接口的实现类，并实现Call方法。创建Callable实现类的实现，使用FutureTask类包装Callable对象，该FutureTask对象封装了Callable对象的Call方法的返回值，使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动线程，调用FutureTask对象的get()来获取子线程执行结束的返回值。通过Callable接口来创建线程的细节：
- 实现callable接口的线程可以防止线程阻塞，但是注意该线程中task的get方法需要在放在最后，防止主线程被阻塞
- 在创建线程时，如果传入的futureTask对象是同一个，只会执行一次线程中的方法

由于Thread的构造方法中没有以Callable接口为参数的，而Callable接口中存在一个子接口RunnableFuture，该子接口的实现类有一个FutureTask，并且在该类的构造方法中存在FutureTask(Callable callable)。因此可以使用该类去包装Callable接口才能作为Thread的target来创建线程：

Thread(Runnable target, String name) ->
Thread(RunnableFuture target, String name) ->
Thread(FutureTask(Callable) target, String name)

线程池（Thread Pool）

class MyThread1 implements Callable<Integer>{

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        System.out.println(\"call....\");
        return 999;
    }
}
class MyThread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {

    }
}

public class CallableDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyThread1 thread1 = new MyThread1();
        FutureTask task = new FutureTask(thread1);
        
        new Thread(task, \"t1\").start();
        new Thread(task, \"t2\").start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \"====完成====\");
        System.out.println(\"返回值：\" + task.get()); // 获取callable中call方法的返回值

    }
}

1.7. CountDownLatch

1.8. CyclicBarrier

1.9. BlockingQueue

1.10. ReadWriteLock和Semaphore

1.11. 线程池

1. 线程池的工作原理

控制运行的线程数量，处理过程中将任务放入队列，然后在线程创建后启动这些任务；
如果线程数量超过最大数量，超出数量的线程排队等候，等待其他线程处理完毕，再从队列中取出任务来执行特点

2. 特点

线程复用，控制最大并发数，管理线程

3. 优势

降低资源消耗 2. 提高响应速度 3. 提高线程的可管理性

4. 创建线程池

线程池通过Executor框架实现的，用到Executor，Executors(线程池工具类，类似Arrays和Collections)，
ExecutorService和ThreadPoolExecutor

使用线程池工具类来创建线程池的3大方法:

Executors.newFixedThreadPool(int N)
执行长期任务性能较好，创建一个线程池有N个固定数目的线程
Executors.newSingleThreadExecutor()
创建一个线程数目的ThreadPool
Executors.newCachedThreadPool()
执行很多短期异步任务，线程池根据需要创建新线程(可扩容)，但先前构建的线程可用时将其重用

5. 线程池的7大参数

三个方法的源码实现都是new一个<ThreadPoolExecutor(corePoolSize,maximumPoolSize,keepAliveTime,unit,workQueue);

而ThreadPoolExecutor构造函数中除了上述5个参数外，还包括threadFactory, defaultHandler

corePoolSize:线程池中的常驻核心线程数
maximumPoolSize：能够同时执行的最大线程数 >=1
keepAliveTime：多余的空闲线程的存活时间，当池中线程数量超过corePoolSize时，空闲时间得到keepAliveTime；多余线程会被销毁，直到剩下corePoolSize个线程为止
unit：keepAliveTime的时间单位
workQueue：任务队列，被提交但还没执行的任务
threadFactory：创建线程的线程工厂(一般默认)
defaultHandler：拒绝策略，当队列满时，并且工作线程>=线程池的最大线程数，如何拒绝请求执行的runnable策略

6. 线程池的工作原理

使用者提交任务 -> 线程池首先判断corePoolSize是否已满 -> 否 -> 创建线程执行任务；

反之查询阻塞队列workQueue是否已满 -> 是 -> 线程池进行扩容能够满足需求 -> 否 -> 按照拒绝策略处理无法执行的任务；

阻塞队列没有满，则将任务添加到队列中进行等待；

线程池扩容能够满足需要，则创建线程执行任务

7. 线程池如何设置参数

线程池的创建方法？

线程池不允许使用Executors去创建，而是使用ThreadPoolExecutor来创建，由于Executors返回线程池对象的缺点有：

FixedThreadPool和SingleThreadExecutor，允许的请求队列长度为Integer.MAX_VALUE，可能堆积大量的请求，从而导致OOM；
CachedThreadPool和ScheduledThreadPool：允许创建的线程数数量为Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致OOM

如何使用线程池？

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPool_2 {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(
                2,
                5,
                2,
                TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(3),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        try{
            for (int i = 1; i <= 9; i++) {
                pool.execute( () -> {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + \"====执行====\");
                });
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            pool.shutdown();
        }

    }

    public static void initPool(){
        
    }
}

这里再创建线程池使用的是默认拒绝策略AbortPolicy：当任务数 > maximumPoolSIze + 阻塞Queue的size时直接会抛出异常

请添加图片描述
CallerRunsPolicy：调用者运行一种机制，既不会抛出任务，也不会抛出异常，而是将某些任务回退到调用者，从而降低新任务的流量

请添加图片描述
DiscardPolicy：默认丢弃无法处理的任务，不予任何处理也不抛出异常，如果允许丢失任务，是最好的一种策略
DiscardOldestPolicy：抛弃任务队列中等待最久的任务，然后将当前任务加入队列中，再次提交当前任务

如果是CPU密集型，设置maximumPoolSize为当前主机上的核数+1

来源：https://blog.csdn.net/m0_45971439/article/details/123255838
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