【javaEE】多线程（进阶）

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进阶知识我们只需要了解即可，有个认识，因为它工作中基本不用，但面试中可能考 

2.常见的锁策略

这是对于锁的分类。对于该知识我们只需了解即可。

因为我们不自己去实现锁，只是单纯使用锁，所以无需重点理解，只要简单知道。

乐观锁和悲观锁：
乐观锁 :场景中它不太会出现锁冲突
悲观锁 :场景中它非常容易出现锁冲突

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重量级锁和轻量级锁：
重量级锁:该锁开销比较大(锁冲突比较多)，一个悲观锁,通常是重量级锁(不绝对)
轻量级锁:加锁开销比较小(锁冲突比较少)，一个乐观锁通常是轻量级锁（不绝对）

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自旋锁和挂起等待锁：
自旋锁是轻量级锁的一种典型实现，在用户态下通过自旋方式(whlie循环)达到加锁。因为是用户态，所以开销较小

挂起等待锁,是一种重量级锁的典型实现，通过内核态借助系统提供的锁机制 当出现锁冲突的时候 会牵扯到内核对于线程的调度 是冲突线程出现挂起(阻塞等待)。因为牵涉到内核，所以开销较大。

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读写锁:
把读操作和写操作分别加锁。
如果两个线程 两个线程都是读加锁 不会产生锁竞争
如果两个线程 一个写加锁 另一个线程写加锁 会产生锁竞争
如果两个线程 一个线程写加锁 另一个线程读加锁 会产生锁竞争

（因为两个读并发不会引发线程不安全，读和写并发以及两个写并发会引发线程安全，所以针对该情况就有如上加锁规则）

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公平锁 和 非公平锁
公平锁:遵守"先来先到" B比C先来 当A释放锁之后B就能比C先得到锁
非公平锁:不遵守先来后到功能，在A释放锁后b和c重新竞争。
操作系统自带的锁默认都属于非公平锁
如果想实现公平锁，就需要依赖额外的数据结构, 来记录线程们的先后顺序.

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可重入锁 和 不可重入锁
如果一个线程对一把锁加锁两次会出现死锁就是不可重入锁
不出现死锁就是可重入锁

3.synchronized原理 

结合上面的锁策略, 我们就可以总结出,Synchronized 具有以下特性(只考虑 JDK 1.8):

1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.

2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.

3. 实现轻量级锁的时候用到自旋锁策略，实现重量级锁的时候用到挂起等待锁

4. 是一种不公平锁

5. 是一种可重入锁

6. 不是读写锁  

它的原理有三个要讲：锁升级，锁消除，锁粗化。 

锁升级

代码中写了一个synchronized之后 这里可能会产生一系列的"自适应的过程"锁升级：
无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁
偏向锁: 不是真的锁,并没有加锁，只是做了一个标记 如果有别的锁来竞争了就会真正加锁升级为轻量级锁，如果没有别的锁竞争就不会真的加锁。
加锁本身有一定的开销，能不加就不加，有竞争才加，这是懒汉模式的一个很好体现。
对于加锁成为轻量级锁后，如果竞争这把锁的线程越来越多了(锁冲突更激烈了)，就从轻量级锁升级成重量级锁

锁消除

编译器,会智能的判定当前这个代码是否有必要加锁，如果你写了加锁,但是实际上没有必要加锁,编译器就会把加锁操作自动删除掉。它保证优化之后的逻辑和之前的逻辑一致。
比如,在单个线程中,使用StringBuffer，编译器就会进行优化消除掉锁,且不影响逻辑。

编译器的锁消除是非常小心的，如果没有确定十分安全它是不会优化的。

锁粗化

首先要学习锁粗化就要讲下关于锁的粒度
如果加锁操作里包含的实际要执行的代码越多 就认为锁的粒度越大

所以如果有很多粒度较小的锁，就可能短时间内出现频繁创建销毁锁的情况，开销就很大。编译器就会通过合并多个锁操作，减少锁的开销。这就是锁粗化。

总结一下，锁粗化是一种编译器或运行时环境的优化技术，主要用于减少多线程程序中锁操作的开销。它的核心思想是将多个连续的锁操作合并为一个更大的锁操作，从而减少锁的获取和释放次数，提高程序性能。

4.CAS

CAS的概念 

CAS是一种用于实现多线程同步的原子操作。它是现代并发编程中非常重要的底层机制，广泛应用于无锁算法、线程安全数据结构和并发控制中。 

这是CAS伪代码

​
boolean compareAndSwap(V, A, B) {if (&V == A) {&V = B;return true;}return false;
}//这是CAS伪代码，讲述逻辑，不能实现​

CAS 操作包含三个操作数：

1. 内存位置（V）：需要更新的变量的内存地址。

2. 期望值（A）：变量的当前值。

3. 新值（B）：希望将变量更新为的值。

CAS 的操作逻辑是：

• 如果内存位置 V 的值等于期望值 A，则将 V 的值更新为新值 B，返回true。

• 如果 V 的值不等于 A，则不做任何操作，返回false。

CAS 的特点 

1. 原子性：
   CAS 操作是硬件级别的原子操作，通常由 CPU 提供支持，然后封装为api在java中使用。

2. 无锁：
   CAS 是一种无锁编程技术，不需要使用传统的锁机制就能解决线程安全问题，因此可以避免锁带来的开销。

CAS的应用

实现原子类 

要实现原子类，标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于内部有CAS从而实现了原子性 ：这些类的方法使用时都不会被拆分为几个指令，只能当作一个整体（一个指令）来看，所以无需锁就能实现我们要的线程安全效果。

典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.

public class Demo01_CAS {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//原子整型AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();Thread thread = new Thread(() -> {//五万次自增操作for (int i = 0; i < 50000; i++) {atomicInteger.getAndIncrement();}});Thread thread2 = new Thread(() -> {//五万次自增操作for (int i = 0; i < 50000; i++) {atomicInteger.getAndIncrement();}});//启动线程thread.start();thread2.start();//等待两个线程执行完成thread.join();thread2.join();System.out.println(atomicInteger);}
}

最后结果为1w，就可以证明atomicinteger是个原子类，里面的方法都具有原子性，不会被拆分，不用锁就能实现一样的效果，且开销更小。

实现自旋锁 

CAS 可以用于实现自旋锁，即线程在获取锁时不断重试，而不是进入阻塞状态。

public class SpinLock {private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);public void lock() {while (!locked.compareAndSet(false, true)) {// 自旋等待}}public void unlock() {locked.set(false);}
}

对于实现自旋锁了解一下就行，而原子类一般用的比较多，要熟记 

CAS的ABA问题 

ABA 问题是 CAS 的一个经典问题。例如：

1. 线程 1 读取变量 V 的值为 A。

2. 线程 2 将 V 的值从 A 改为 B，然后又改回 A。

3. 线程 1 执行 CAS 操作，发现 V 的值仍然是 A，误认为V没有发生变化。

通常情况下ABA问题是不会发生bug的，但是特殊情况还是会导致一些问题。

比如我的账户里面有2000块钱(状态A),我委托张三说:如果我忘给李四转1000块钱,下午帮我转一下,我在中午给李四转了1000块钱(状态B),但是随后公司发奖金1000到我的账户,此时我账户有1000块钱(状态A),张三下午检查我账户,发现我有2000块钱,于是又给李四转了1000块钱,此时就出现问题了,李四收到了两次1000元,不符合我们的需求了.

那么解决方案是什么呢？

给预期值加一个版本号.在做CAS操作时,同时要更新预期值的版本号,版本号只增不减，每次操作都加一，在进行CAS比较的时候,不仅预期值要相同,版本号也要相同,这个时候才会返回true.

5.JUC(java.util.concurrent) 的常见类 

concurrent有并发的意思，所以这里的类都是并发编程相关的类 

Callable接口

Callable 接口是 Java 并发编程中的一个重要接口，用于表示一个可以返回结果的任务。它与 Runnable 接口类似，但 Callable 更强大，因为它可以返回结果，而runable返回不了结果。

下面给一个代码示例去教你怎么使用：

代码示例: 创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 使用 Callable 版本

1.创建一个匿名内部类, 实现 Callable 接口. Callable 带有泛型参数. 泛型参数表示返回值的类型.

2.重写 Callable 的 call 方法, 完成累加的过程. 直接通过返回值返回计算结果.

3.把 callable 实例使用 FutureTask 包装一下.

4.创建线程, 线程的构造方法传入 FutureTask . 此时新线程就会执行 FutureTask 内部的 Callable 的 call 方法, 完成计算. 计算结果就放到了 FutureTask 对象中.

5.在主线程中调用 futureTask.get() 能够阻塞等待新线程计算完毕. 并获取到 FutureTask 中的线程返回结果.

​
public class Demo {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 1; i < 101; i++) {sum += i;TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}return sum;}};//通过FutureTask来创建一个对象,这个对象持有CallableFutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);//让线程执行好定义的任务Thread thread = new Thread(futureTask);thread.start();Integer result = futureTask.get();System.out.println("最终的结果为:" + result);}
}​

 ReentrantLock 可重入锁

和synchronized锁类似。这个锁提供了两个方法：lock(上锁） unlock（解锁）

使用这个锁的时候要注意解锁，上锁后，在代码执行过程中，遇到return 或者异常终止了，就可能引起 unlock没有被执行，锁没有释放，其他地方想使用该锁就会死等，因此，正确使用ReentrantLock锁 是把unlock放在finall代码块中，这样无论如何都能防止锁未被释放了。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class TryLockExample {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void performTask() {if (lock.tryLock()) { // 尝试获取锁try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁，正在执行任务");Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock(); // 释放锁System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放锁");}} else {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 未能获取锁，执行其他逻辑");}}public static void main(String[] args) {TryLockExample example = new TryLockExample();Runnable task = example::performTask;Thread thread1 = new Thread(task, "线程1");Thread thread2 = new Thread(task, "线程2");thread1.start();thread2.start();}
}

对于该锁还有个trylock方法。

1. boolean tryLock()：

   • 尝试获取锁，如果锁可用则立即获取并返回 true；否则返回 false且放弃获取锁并执行后续代码

2. boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：

   • 在指定的时间内尝试获取锁。

   • 如果锁在时间段内可获取到，则获取锁并返回 true。

   • 如果超时时间到达仍未获取锁，则放弃锁，返回 false。

优势:
1.ReentrantLock,在加锁的时候,有两种方式. lock, tryLock. 给了咱们更多的可操作空间。
2.ReentrantLock,提供了公平锁 的实现.(默认情况下是非公平锁)

3. ReentrantLock 提供了更强大的等待通知机制，搭配了 Condition 类实现等待通知（类似于wait，notify）
虽然 ReentrantLock 有上述优势,但是咱们在加锁的时候,还是首选synchronized。因为ReentrantLock 使用更加复杂,尤其是容易忘记解锁，而上述优势不算刚需，另外 synchronized 背后还有一系列的优化手段~~ 

 semaphore 信号量

信号量,⽤来表⽰"可⽤资源的个数".本质上就是⼀个计数器.

就类似停车场：用N记录当前可停车位，

有车进来停车，N-1;有车开走，N+1。这个N就表示可用资源的个数。

设“可⽤资源的个数"用 N来表示：

申请一个资源，会使N-1，称为“P操作”；释放一个资源，会使N+1，称为“V操作”。如果N为0了，继续P操作，该线程则会进行阻塞。

信号量是操作系统内部提供的一种机制，操作系统对应的api被JVM封装下，就能通过java代码来调用其相关的操作了。

在java中，用 acquire方法，表示申请；release方法，表示释放。这两个操作都是具有原子性的，可以直接使用。

对于锁就是一种特殊的信号量，可以认为是计数值为1的信号量：释放锁状态，就是1；加锁状态，就是0。对于这种非0即1的信号量，称为二元信号量。

import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个信号量，初始许可数为 4Semaphore semaphore = new Semaphore(4);// 创建一个任务Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 申请资源");semaphore.acquire(); // 获取许可System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到资源了");Thread.sleep(1000); // 模拟资源占用System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放资源了");semaphore.release(); // 释放许可} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}};// 创建多个线程并发执行任务for (int i = 1; i <= 6; i++) {new Thread(runnable, "线程" + i).start();}}
}

由于线程调度的不确定性，每次运行的结果可能略有不同，但整体逻辑是一致的。以下是可能的输出：

注意一个线程可以多次acquire资源 

CountDownLatch 

CountDownLatch 是 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中的一个同步工具，用于让一个或多个线程等待其他线程完成操作。它的核心思想是通过一个计数器来实现线程的等待和通知机制。计数器初始化为一个正整数，每当一个线程完成任务时，计数器减 1；当计数器减到 0 时，等待的线程会被唤醒

CountDownLatch 的核心方法：

1. CountDownLatch(int count)：

   • 构造函数，初始化计数器。

2. void await()：

   • 使当前线程等待，直到计数器减到 0。

3. boolean await(long timeout, TimeUnit unit)：

   • 使当前线程等待，直到计数器减到 0 或超时。

4. void countDown()：

   • 将计数器减 1。如果计数器减到 0，则唤醒所有等待的线程。

5. long getCount()：

   • 返回当前计数器的值。

 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int threadCount = 3;CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount); // 初始化计数器Runnable task = () -> {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行任务");Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成任务");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {latch.countDown(); // 计数器减 1}};// 创建多个线程并发执行任务for (int i = 1; i <= threadCount; i++) {new Thread(task, "线程" + i).start();}System.out.println("主线程等待子线程完成任务");latch.await(); // 主线程等待计数器减到 0System.out.println("所有子线程完成任务，主线程继续执行");}
}

6.线程安全的集合类

Vector,Stack,HashTable,是线程安全的 (但是Vector和hashTable不建议⽤，效率太低，只是方法加了synchronized) , 其他的集合类不是线程安全的.

 在多线程环境中使ArrayList线程安全的方式

1.用synchronized加锁,保证线程安全.

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2.使用Collectios.synchronizedList(new ArrayList)

synchronizedList可以让ArrayList对象的关键操作都带上synchronized，这样就不用一个一个去填写synchronized，一键速成

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3.使用CopyOnWriteArrayList  

它是JUC包下的一个类,使用的是一种叫写时复制技术来实现的

当要修改一个集合时，先复制这个集合的复本，然后修改复本的数据，修改完成后，用复本覆盖原始集合，而读集合时，则是读取原版，所以对于多线程同时进行读取和修改时，不用加锁也不会引发bug（注意同时进行的操作中 修改最多只能有一个，不然有bug）

优点：在多读少写的情况下，无需加锁就解决了ArrayList的线程安全问题，提高了性能。

缺点：对数组的修改不能太频繁；数组不能太长，这些可能会导致复制操作成本太高。

 

多线程下使用哈希表

 HashMap是线程不安全的，HashTable是线程安全的

 多线程环境使用哈希表可以使用：

1.HashTable
2.ConcurrentHashMap
HashTable是把关键方法上都加了synchronized锁，也就是synchronized给一整个哈希表加了锁。当一个线程对数组中某条链表操作时，任何线程都不能对该数组操作，即使两个线程操作的是不同的链表，不加锁也不会有bug，但还是会进行堵塞，所以HashTable在多线程下的执行效率是很慢的。

ConcurrentHashMap: 对HashTable进行了改进和优化：

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1.优化了加锁方式

缩小了锁的粒度，不再将整个数组都加锁，对每个链表都分配了一把锁（将每个链表的头节点对象设为锁），只有当多个线程访问同一个链表时，才会产生锁冲突。这样就降低了锁冲突，提高了效率。

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2.充分利用CAS原子操作特性

⽐如size属性通过CAS来更新.避免出现重量级锁的情况.

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3.优化了扩容方式

HashTable通过计算负载因子，判断是否需要扩容，达到要扩容的值，就直接扩容：创建新数组，将原来的数据全复制到新数组中。当数据量非常大时，扩容操作会进行的比较慢，表现出来的就是在运行的某一时刻比较慢，不具有稳定性。

ConcurrentHashMap对此进行了优化，通过“化整为零”方式进行扩容，不是一下将全部数据进行拷贝，而是进行分批拷贝

当需要扩容时，先创建一个新的数组，每次将一部分数据拷贝到新数组中，后续每个来操作ConcurrentHashMap的线程,都会参与搬家的过程.每个操作负责搬运⼀⼩部 分元素.这个过程中新老哈希表都存在，扩容结束，删除旧表；这样就很稳定。

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4.对读操作不进行加锁

ConcurrentHashMap很特殊，进行读写操作并发执行时并不会引发线程安全问题，所以就无需对读操作进行加锁，能进一步减少开销。

 所以现在我们一般在多线程中都用currenthashmap去使用哈希表。