Java并发J.U.C学习总结

By | 2019年12月18日

JSR 166及J.U.C

什么是JSR:

JSR,全称 Java Specification Requests, 即Java规范提案, 主要是用于向JCP(Java Community Process)提出新增标准化技术规范的正式请求。每次JAVA版本更新都会有对应的JSR更新,比如在Java 8版本中,其新特性Lambda表达式对应的是JSR 335,新的日期和时间API对应的是JSR 310

什么是JSR 166:

当然,本文的关注点仅仅是JSR 166,它是一个关于Java并发编程的规范提案,在JDK中,该规范由java.util.concurrent包实现,是在JDK 5.0的时候被引入的;

另外JDK6引入Deques、Navigable collections,对应的是JSR 166x,JDK7引入fork-join框架,用于并行执行任务,对应的是JSR 166y。

什么是J.U.C:

即java.util.concurrent的缩写,该包参考自EDU.oswego.cs.dl.util.concurrent,是JSR 166标准规范的一个实现;

膜拜

那么,JSR 166以及J.U.C包的作者是谁呢,没错,就是Doug Lea大神,挺牛逼的,大神级别任务,贴张照片膜拜下。。。

Executor框架(线程池、 Callable 、Future)

什么是Executor框架

简单的说,是一个任务的执行和调度框架(线程池),将任务的提交过程和执行过程分离开来,涉及的类如下图所示:

其中,最顶层是Executor接口,它的定义很简单,一个用于执行任务的execute方法,如下所示:

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

 另外,我们还可以看到一个Executors类,它是一个工具类(有点类似集合框架的Collections类),用于创建ExecutorServiceScheduledExecutorServiceThreadFactory 和 Callable对象。

典型步骤:

定义好任务(如Callable对象),把它提交给ExecutorService(如线程池)去执行,得到Future对象,然后调用Future的get方法等待执行结果即可。

举个例子(不完整,仅仅演示流程):

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();//创建线程池
Task task = new Task(); //创建Callable任务
Future<Integer> result = executor.submit(task);//提交任务给线程池执行
result.get();//等待执行结果; 可以传入等待时间参数,指定时间内没返回的话,直接结束

什么是任务:

实现Callable接口或Runnable接口的类,其实例就可以成为一个任务提交给ExecutorService去执行;

其中Callable任务可以返回执行结果,Runnable任务无返回结果;

什么是线程池

线程池提供了一种限制和管理资源(线程)的方式,每个线程池还维护了一些基本的统计信息,例如:已完成的任务数量

使用线程池的优点:

1.降低资源消耗 : 重复利用已创建的线程降低了线程的新建,销毁造成的消耗

2.提高响应速度 : 任务需要执行时,不需要等待线程的创建,提高了响应速度

3.提高线程的可管理性 : 线程是稀缺资源,如果无限制创建,不仅会消耗系统资源而且还会降低系统的稳定性,使用线程池可以对多个线程进行统一分配,调优和监控 

线程池的创建

方式一:通过ThreadPoolExecutor的构造方法实现

参数解析:

  1.corePoolSize(线程池的基本大小): 线程池基本的线程创建数量, 任务数<基本大小,即便有现成可用空闲线程也会创建新线程执行,大于等于时才利用空闲线程

  2.maximumPoolSize(线程池最大数量) : 有界队列中,无空闲线程执行任务,且线程数已到达基本大小 时任务会被放置于任务队列之中,当任务队列已满时,任务仍然无线程可执行,就会新创建线程,而此参数即是限制此线程数量 

  3.keepAliveTime(线程活动保持时间) : 线程空闲时能够继续存活的时间

  4.TimeUnit(线程活动保持时间的单位) :单位有天,时,分,秒,毫秒,微秒,纳秒

  5. workQueue(任务队列) : 用以保存等待线程执行的任务的阻塞队列

  6.threadFactory(创建线程的线程工厂)  : 可以通过自定义线程工厂来自定义池中的线程

  7. RejectExecutionHandler(饱和策略) : 任务队列和线程池都满的情况下,仍有任务需要执行时采取的应对策略,默认AbortPolicy直接抛出异常

   饱和策略:

    1. AbortPolicy:直接抛出异常。

    2. CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。

    3. DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。

    4. DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。

      当然,也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler 接口自定义                策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

 

方式二:通过Executor框架的工具类Executors来实现

  1. newCachedThreadPool :大小不受限,当线程释放时,可重用该线程;
  2. newFixedThreadPool :大小固定,无可用线程时,任务需等待,直到有可用线程;
  3. newSingleThreadExecutor :创建一个单线程,任务会按顺序依次执行;
  4. newScheduledThreadPool:创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行

注意:

 《阿里巴巴Java开发手册》中强制线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。

Executors 创建线程池对象的弊端如下:

FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor :允许请求的队列长度Integer.MAX_VALUE,可能堆积大量的请求,从而导致 OOM。CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool : 允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE ,可能会创建大量线程,从而导致 OOM。

创建线程池中的线程数一般怎么设置,需要考虑哪些问题?

   1.线程池中线程执行任务的性质 : 任务为IO密集型还是计算密集型,IO型主要消耗在IO流的等待中,cpu使用率较低,自然线程数量设置较少,同样计算密集型较多

   2.CPU使用率 :可观察CPU使用率来判定线程数量,并不是越多越好

  当线程数量大时,第一线程的频繁创建会消耗大量的资源.第二,线程数量多,并发处理任务会出现任务集中在很短的时间内全部完成,任务不会在任务队列中阻塞,而完成之后CPU便处于空闲状态,此时             CPU的使用率会呈现锯齿状态,短时间飙高,而正确的使用率应该处于一个平缓的状态,让部分任务阻塞在队列之中等待执行,既复用了线程,又使得CPU使用率呈现平缓状态 

  3.内存使用率 :  线程数量和队列大小都会影响内存使用率,队列大小应该通过计算任务的数量进行合理设置

  4.下游系统抗并发能力  : 考虑下游业务逻辑代码承受线程并发的能力

补充:批量任务的执行方式

方式一:首先定义任务集合,然后定义Future集合用于存放执行结果,执行任务,最后遍历Future集合获取结果;

  • 优点:可以依次得到有序的结果;
  • 缺点:不能及时获取已完成任务的执行结果;

方式二:首先定义任务集合,通过CompletionService包装ExecutorService,执行任务,然后调用其take()方法去取Future对象

  • 优点:及时得到已完成任务的执行结果
  • 缺点:不能依次得到结果

这里稍微解释下,在方式一中,从集合中遍历的每个Future对象并不一定处于完成状态,这时调用get()方法就会被阻塞住,所以后面的任务即使已完成也不能得到结果;而方式二中,CompletionService的实现是维护一个保存Future对象的BlockingQueue,只有当这个Future对象状态是结束的时候,才会加入到这个Queue中,所以调用take()1能从阻塞队列中拿到最新的已完成任务的结果;

AbstractQueuedSynchronizer (AQS框架)

什么是AQS框架

AQS框架是J.U.C中实现锁及同步机制的基础,其底层是通过调用 LockSupport .unpark()和 LockSupport .park()实现线程的阻塞和唤醒。

AbstractQueuedSynchronizer是一个抽象类,主要是维护了一个int类型的state属性和一个非阻塞、先进先出的线程等待队列;其中state是用volatile修饰的,保证线程之间的可见性,队列的入队和出对操作都是无锁操作,基于自旋锁和CAS实现;另外AQS分为两种模式:独占模式和共享模式,像ReentrantLock是基于独占模式模式实现的,CountDownLatch、CyclicBarrier等是基于共享模式。

简单举个例子

非公平锁的lock方法的实现:

复制代码
 final void lock() {
      //CAS操作,如果State为0(表示当前没有其它线程占有该锁),则将它设置为1
      if (compareAndSetState(0, 1))     
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
      else
          acquire(1);
}
复制代码

首先是不管先后顺序,直接尝试获取锁(非公平的体现),成功的话,直接独占访问;

如果获取锁失败,则调用AQS的acquire方法,在该方法内部会调用tryAcquire方法再次尝试获取锁以及是否可重入判断,如果失败,则挂起当前线程并加入到等待队列;

具体可查看ReentrantLock.NonfairSync类和AbstractQueuedSynchronizer类对应的源码。

理解:

ASQ是抽象的同步器队列,其中的重点是并发同步器执行所需要的三个重要组成部分

   需要共享的资源的状态 state —volite保证可见性,CAS保证原子性,实现线程安全地改变获取共享资源状态的值
   线程的阻塞&释放
   队列的入队&出队
  • ASQ定义了抽象的实现方式,其中线程,队列的操作为核心的算法,后代实现类使用模板方法模式实现其中共享状态表示什么,而依据需求共享状态什么情况下获取什么情况获取,
  • ASQ的实现:TreentrantLock(可重入锁)     —–独占

        CountDownLatch(闭锁)   CyclicBarrier(栅栏)  Semaphore(信号量)   —-共享   

        TreentrantReadWriteLock(读写锁)  —-读共享,写独占

Locks & Condition(锁和条件变量)

先看一下Lock接口提供的主要方法,如下:

  • lock()  等待获取锁
  • lockInterruptibly()  可中断等待获取锁,synchronized无法实现可中断等待
  • tryLock() 尝试获取锁,立即返回true或false
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)    指定时间内等待获取锁
  • unlock()      释放锁
  • newCondition()   返回一个绑定到此 Lock 实例上的 Condition 实例

关于Lock接口的实现,我们主要是关注以下两个类:

  • ReentrantLock
  • ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock

可重入锁,所谓的可重入锁,也叫递归锁,是指一个线程获取锁后,再次获取该锁时,不需要重新等待获取。ReentrantLock分为公平锁和非公平锁,公平锁指的是严格按照先来先得的顺序排队等待去获取锁,而非公平锁每次获取锁时,是先直接尝试获取锁,获取不到,再按照先来先得的顺序排队等待。

注意:ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁,指的是没有线程进行写操作时,多个线程可同时进行读操作,当有线程进行写操作时,其它读写操作只能等待。即“读-读能共存,读-写不能共存,写-写不能共存”。

在读多于写的情况下,读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。

Condition

Condition对象是由Lock对象创建的,一个Lock对象可以创建多个Condition,其实Lock和Condition都是基于AQS实现的。

Condition对象主要用于线程的等待和唤醒,在JDK 5之前,线程的等待唤醒是用Object对象的wait/notify/notifyAll方法实现的,使用起来不是很方便;

在JDK5之后,J.U.C包提供了Condition,其中:

Condition.await对应于Object.wait;

Condition.signal 对应于 Object.notify;

Condition.signalAll 对应于 Object.notifyAll;

使用Condition对象有一个比较明显的好处是一个锁可以创建多个Condition对象,我们可以给某类线程分配一个Condition,然后就可以唤醒特定类的线程。

Synchronizers(同步器)

J.U.C中的同步器主要用于协助线程同步,有以下四种:

  1. 闭锁 CountDownLatch
  2. 栅栏 CyclicBarrier
  3. 信号量 Semaphore
  4. 交换器 Exchanger

闭锁 CountDownLatch

闭锁主要用于让一个主线程等待一组事件发生后继续执行,这里的事件其实就是指CountDownLatch对象的countDown方法。注意其它线程调用完countDown方法后,是会继续执行的,具体如下图所示:

在CountDownLatch内部,包含一个计数器,一开始初始化为一个整数(事件个数),发生一个事件后,调用countDown方法,计数器减1,await用于等待计数器为0后继续执行当前线程;

如上图:TA主线程会一直等待,直到计数cnt=0,才继续执行,

可参照http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

栅栏 CyclicBarrier

栅栏主要用于等待其它线程,且会阻塞自己当前线程,所有线程必须同时到达栅栏位置后,才能继续执行;且在所有线程到达栅栏处,可以触发执行另外一个预先设置的线程,具体如下图所示:

在上图中,T1、T2、T3每调用一次await,计数减减,且在它们调用await方法的时候,如果计数不为0,会阻塞自己的线程;

另外,TA线程会在所有线程到达栅栏处(计数为0)的时候,才开始执行;

可参照 http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

信号量Semaphore

信号量主要用于控制访问资源的线程个数,常常用于实现资源池,如数据库连接池,线程池…

在Semaphore中,acquire方法用于获取资源,有的话,继续执行(使用结束后,记得释放资源),没有资源的话将阻塞直到有其它线程调用release方法释放资源;

可参照之前写的一篇文章,如下链接,里面有一个信号量的demo示例。

http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

交换器 Exchanger

交换器主要用于线程之间进行数据交换;

当两个线程都到达共同的同步点(都执行到exchanger.exchange的时刻)时,发生数据交换,否则会等待直到其它线程到达;

Atomic Variables(原子变量)

原子变量主要是方便程序员在多线程环境下,无锁的进行原子操作;

原子类是基于Unsafe实现的包装类,核心操作是CAS原子操作;所谓的CAS操作,即compare and swap,指的是将预期值与当前变量的值比较(compare),如果相等则使用新值替换(swap)当前变量,否则不作操作;我们可以摘取一段AtomicInteger的源码,如下:

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

在compareAndSwapInt方法中,valueOffset是内存地址,expect是预期值,update是更新值,如果valueOffset地址处的值与预期值相等,则将valueOffset地址处的值更新为update值。PS:现代CPU已广泛支持CAS指令;

在Java中,有四种原子更新方式,如下:

  • 原子方式更新基本类型; AtomicInteger 、 AtomicLong 等
  • 原子方式更新数组; AtomicIntegerArray、 AtomicLongArray等
  • 原子方式更新引用; AtomicReference、 AtomicReferenceFieldUpdater…
  • 原子方式更新字段; AtomicIntegerFieldUpdater、 AtomicStampedReference(解决CAS的ABA问题)…

更多关于原子变量,可以参考:

atomic包 :http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5375805.html

AtomicInteger源码注释http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5357136.html

理解sun.misc.Unsafehttp://www.cnblogs.com/chenpi/p/5389254.html

提个醒:简单的自增操作,如i++,并不是一个原子操作,不过使用原子变量类进行操作,如调用incrementAndGet()方法进行自增,可以使其成为原子操作;

BlockingQueue(阻塞队列)

阻塞队列提供了可阻塞的入队和出对操作,如果队列满了,入队操作将阻塞直到有空间可用,如果队列空了,出队操作将阻塞直到有元素可用;

在Java中,主要有以下类型的阻塞队列:

  • ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue :一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue :一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
  • DelayQueue:一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。
  • SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。
  • LinkedTransferQueue:一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
  • LinkedBlockingDeque:一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列有一个比较典型的应用场景是解决生产者-消费者问题,具体参考:

使用阻塞队列解决生产者-消费者问题 http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5553325.html

Concurrent Collections(并发容器)

接下来,我们来看一下工作中比较常见的一块内容,并发容器;

说到并发容器,不得不提同步容器,在JDK5之前,为了线程安全,我们一般都是使用同步容器,同步容器主要有以下缺点:

  • 同步容器对所有容器状态的访问都串行化,严重降低了并发性;
  • 某些复合操作,仍然需要加锁来保护
  • 迭代期间,若其它线程并发修改该容器,会抛出ConcurrentModificationException异常,即快速失败机制

对于复合操作,我们可以举个例子, 因为比较容易被忽视,如下代码:

public static  Integer getLast(Vector<Integer> list){
    int lastIndex = list.size() - 1;
    if(lastIndex < 0) return null;
    return list.get(lastIndex);
}

在以上代码中,虽然list集合是Vector类型,但该方法仍然不是原子操作,因为在list.size()和list.get(lastIndex)之间,可能已经发生了很多事。

那么,在JDK 5之后,有哪些并发容器呢,这里主要说两种,如下:

  • ConcurrentHashMap
  • CopyOnWriteArrayList/Set

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是采用分离锁技术,在同步容器中,是一个容器一个锁,但在ConcurrentHashMap中,会将hash表的数组部分分成若干段,每段维护一个锁;这些段可以并发的进行写操作,以达到高效的并发访问,如下图示例:

另外,性能是我们比较关心的,我们可以与同步容器做个对比,如下图所示,PS:该图资料来自参考内容~,我自身没做过测试:

CopyOnWriteArrayList/Set

也叫拷贝容器,指的是写数据的时候,重新拷贝一份进行写操作,完成后,再将原容器的引用指向新的拷贝容器。

适用情况:当读操作远远大于写操作的时候,考虑用这个并发集合。

Fork/Join并行计算框架

这块内容是在JDK7中引入的,个人觉得相当牛逼,可以方便利用多核平台的计算能力,简化并行程序的编写,开发人员仅需关注如何划分任务和组合中间结果。

fork/join框架的核心是ForkJoinPool类,实现了工作窃取算法(对那些处理完自身任务的线程,会从其它线程窃取任务执行)并且能够执行 ForkJoinTask任务。

适用场景:大任务能被递归拆分成多个子任务的应用;
可以参考下图,帮助理解,位于图上部的 Task 依赖于位于其下的 Task 的执行,只有当所有的子任务都完成之后,调用者才能获得 Task 0 的返回结果。其实这是一种分而治之的思想:

其实对于使用fork/join框架的开发人员来说,主要任务还是在于任务划分,可以参考如下伪代码:

if (任务足够小){
  直接执行该任务;
}else{
  将任务拆分成多个子任务;
  执行这些子任务并等待结果;
}

具体可以参考,里面有一个使用fork/join框架进行图片水平模糊的例子:

TimeUnit枚举

TimeUnit是java.util.concurrent包下面的一个枚举类,TimeUnit提供了可读性更好的线程暂停操作。

在JDK5之前,一般我们暂停线程是这样写的:

Thread.sleep(2400000)//可读性差

可读性相当的差,一眼看去,不知道睡了多久;

在JDK5之后,我们可以这样写:

 TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
 TimeUnit.MINUTES.sleep(4);
 TimeUnit.HOURS.sleep(1);
 TimeUnit.DAYS.sleep(1);

清晰明了;

另外,TimeUnit还提供了便捷方法用于把时间转换成不同单位,例如,如果你想把秒转换成毫秒,你可以使用下面代码

TimeUnit.SECONDS.toMillis(44);// 44,000

参考资料

《并发编程实战》

《JAVA 编程思想-4版》

谷歌,百度

并发编程网

http://tutorials.jenkov.com/

http://howtodoinjava.com/category/core-java/multi-threading/

http://www.infoq.com/cn/articles/jdk1.8-abstractqueuedsynchronizer

https://zh.wikipedia.org/wiki/JCP

http://geekrai.blogspot.com/2013/07/executor-framework-in-java.html


@Author      
Autism-Dong

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