JUC簡介

JUC

目錄

• JUC
  • 一. 概述
  • 二. 原子性操作
    • Ⅰ. 關於CAS
    • Ⅱ.關於volatile
  • 三. LOCK鎖
    • Ⅰ. 鎖一些概念
    • Ⅱ. ReentrantLock
    • Ⅲ. ReadWriteLock
    • Ⅳ.Condition
    • Ⅴ. synchronized 和 ReentrantLock的區別
  • 四. BlockingQueue - 阻塞式隊列
    • Ⅰ. 特點
    • Ⅱ. 常用的實現類
  • 五. 並發映射
  • 六. 執行器服務

一. 概述

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1. JUC指的是JDK1.5中提供的一套並發包及其子包：
   • java.util.concurrent
   • java.util.concurrent.lock
   • java.util.cncurrent.atomic
2. 主要內容有：阻塞式隊列、並發映射、鎖、執行器服務、原子性操作。

二. 原子性操作

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原子性操作實際上是保證了屬性的原子性，底層是基於CAS+volatile來實現的

Ⅰ. 關於CAS

👉CAS

Ⅱ.關於volatile

volatile是java中的關鍵字之一，是Java中提供的用於保證線程通信間的輕量級通信機制。

1. 特性：
   1. 保證線程的可見性。一個線程對主內存的數據做了改變，其他線程能夠立即感知到這個改變。
   2. 對單個讀/寫具有原子性，但是復合操作除外，例如i++不保證線程的原子性。原子性指線程的執行過程不可拆分，換言之，線程在執行過程中不會中斷。加鎖就是為了保證原子性。
2. 內存語義：
   1. 當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值立即刷新到主內存中。
   2. 當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存設置為無效，直接從主內存中讀取共享變量
3. 實施機制
   1. 禁止指令重排。指令沒有按照預定順序調用執行，而是在底層產生了所謂的優化，導致順序發生了改變。指令重排不能違背happen-before原則。
   2. 內存屏障

三. LOCK鎖

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Ⅰ. 鎖一些概念

1. 鎖的公平和非公平原則：

   公平鎖：鎖的獲取順序應該符合請求的絕對時間順序，也就是FIFO。

   非公平鎖：只要CAS設置同步狀態成功，則表示當前線程獲取了鎖

   1. 在資源有限的情況下，線程之間實際執行的次數並不均等，這種現象稱之為非公平原則。在公平策略下，線程不能直接搶占資源，而是搶占入隊順序。此時線程之間實際執行次數大致相等，我們稱之為公平策略。
   2. 相對而言，非公平的效率更高（不需要考慮調度問題）

2. 鎖的獨占和共享

   獨占鎖：獨占鎖也叫排他鎖,是指該鎖一次只能被一個線程所持有。如果線程T對數據A加上排他鎖后，則其他線程不能再對A加任何類型的鎖。獲得排它鎖的線程即能讀數據又能修改數據。ReentrantLock 和 synchronized 都是獨占鎖

   共享鎖：享鎖是指該鎖可被多個線程所持有。如果線程T對數據A加上共享鎖后，則其他線程只能對A再加共享鎖，不能加排它鎖。獲得共享鎖的線程只能讀數據，不能修改數據。

   獨享鎖與共享鎖都是通過AQS來實現的，通過實現不同的方法，來實現獨享或者共享ReentrantReadWriteLock中讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨占鎖。讀鎖的共享可以保證並發讀是高效的，讀寫，寫讀，寫寫是互斥的。

3. 鎖的重入和非重入

   可重入鎖:可重入鎖也叫做遞歸鎖，指的是同一個線程T在進入外層函數A獲得鎖L之后，T繼續進入內層遞歸函數B，也需要獲取該鎖L的代碼時，在不釋放鎖L的情況下，可以重復獲取該鎖L。

   非重入鎖：非可重入鎖也叫做自旋鎖，對比上面，指的是同一個線程T在進入外層函數A獲得鎖L之后，T繼續進入內層遞歸函數B時，仍然有獲取該鎖L的代碼，必須要先釋放進入函數A的鎖L，才可以獲取進入函數B的鎖L。

4. 鎖的樂觀和悲觀

   樂觀鎖：就像它的名字一樣，對於並發間操作產生的線程安全問題持樂觀狀態，樂觀鎖認為競爭不總是會發生，因此它不需要持有鎖，將樂觀鎖的核心算法是CAS，比較-替換這兩個動作作為一個原子操作嘗試去修改內存中的變量，如果失敗則表示發生沖突，那么就應該有相應的重試邏輯。（不加鎖就修改）

   悲觀鎖：還是像它的名字一樣，對於並發間操作產生的線程安全問題持悲觀狀態，悲觀鎖認為競爭總是會發生，因此每次對某資源進行操作時，都會持有一個獨占的鎖，就像synchronized，不管三七二十一，直接上了鎖就操作資源了。（加鎖才修改）

5. 讀寫鎖

   讀鎖：當線程獲取讀鎖時，允許其他線程的讀操作，不允許寫操作。

   寫鎖：當線程獲取讀寫時，不允許其他線程的任何操作。

6. 自旋

   很多synchronized里面的代碼只是一些很簡單的代碼，執行時間非常快，此時等待的線程都加鎖可能是一種不太值得的操作，因為線程阻塞涉及到用戶態和內核態切換的問題。既然synchronized里面的代碼執行得非常快，不妨讓等待鎖的線程不要被阻塞，而是在synchronized的邊界做忙循環，這就是自旋。如果做了多次忙循環發現還沒有獲得鎖，再阻塞，這樣可能是一種更好的策略。

Ⅱ. ReentrantLock

JDK1.5增加了LOCK鎖，可以通過顯示定義同步鎖對像實現同步，是對共享資源進行訪問的工具。相比synchronized，LOCK更加精細靈活。唯一實現類：ReentrantLock
【特點】

1. 可重入。（Synchronized同）
2. 如果不指定，默認非公平。（Synchronized同）
3. 獨占（Synchronized同）
4. 悲觀（Synchronized同）
5. 底層采用AQS實現。

【案例】

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 銀行賬戶類
 * 此類為可變類，亦是線程不安全類。
 * 若想變為線程安全類，需付出額外的方法
 *
 * 此例中，需要將修改balance的方法同步
 * 若使用Synchronized同步，則鎖是this
 *
 * 此例也可顯示定義鎖對象，來同步方法
 * 注意要顯示的釋放鎖
 */
public class Account{
    private String accountNo;
    private double balance;
    //定義鎖對象
    private final ReentrantLock lock=new ReentrantLock();


    public void draw(double drawAmount){
        //加鎖
        lock.lock();
        try{
            if(drawAmount<balance){
                System.out.println("目前余額："+balance);
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                balance-=drawAmount;
                System.out.println("余額："+balance);
            }
            else {
                System.out.println("余額不足,提款失敗");
            }
        }finally {
            //修改完成，釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }
}

Ⅲ. ReadWriteLock

ReadWriteLock：讀寫鎖。在使用的時候先創建ReentrantReadWriteLock，通過這個對象獲取讀鎖或者寫鎖，之后再加鎖解鎖或者解鎖。

相比ReadWriteLock，ReentrantLock某些時候有局限。如果使用ReentrantLock，可能本身是為了防止線程A在寫數據、線程B在讀數據造成的數據不一致，但這樣，如果線程C在讀數據、線程D也在讀數據，讀數據是不會改變數據的，沒有必要加鎖，但是還是加鎖了，降低了程序的性能。

因為這個，才誕生了讀寫鎖ReadWriteLock。ReadWriteLock是一個讀寫鎖接口，ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock接口的一個具體實現，實現了讀寫的分離，讀鎖是共享的，寫鎖是獨占的，讀和讀之間不會互斥，讀和寫、寫和讀、寫和寫之間才會互斥，提升了讀寫的性能。

【關於StampedLock】

StampedLock是Java8新增的鎖，在絕大多數場景下可以替代傳統的讀寫鎖。其在提供讀寫鎖的同時，還支持優化讀模式。優化讀基於假設：大多數情況下讀操作並不會和寫操作沖突，所以可以先試着修改，然后通過validate方法確認是否進入了寫模式，如果沒有進入，就成功避免了開銷；如果進入了，則嘗試獲取讀鎖。

Ⅳ.Condition

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的內部類 ，因為Condition的操作需要獲取相關聯的鎖，所以作為同步器的內部類也會是比較合理的。

每個Condition對象都包含着一個隊列（等待隊列），是Condition對象實現等待/通知功能的關鍵。

• 等待隊列是一個FIFO隊列，隊列的每個節點都包含一個線程引用， 線程就是在Condition對象中等待的線程，如果一個線程調用了Condition.await()方法，那么該線程將會釋放鎖、構造節點加入等待隊列進入等待狀態。事實上，節點的定義復用了同步器中節點的定義，也就是說，同步隊列和等待隊列中節點類型都是同步器的經靜態內部類AbstractQueuedSynchronizer.Node

  一個Condition包含一個等待隊列，Condition擁有首節點(fristWaiter)和尾節點(lastWriter）。當前線程調用Condition.await()方法，將會以當前線程構造節點，並將節點從尾部加入等待隊列。

• 調用Condition的await()方法，會使當前線程進入等待隊列並釋放鎖，同時線程狀態變為等待狀態，當從await()方法返回時，當前線程一定獲取了Condition相關聯的鎖，

  如果從隊列 (同步隊列和等待隊列）的角度看await()方法，當調用await()方法時，相當於同步隊列的首節點(獲取了鎖的節點）移動到Condition的等待隊列中。

• 調用Condition的signal()方法，將喚醒在等待隊列中等待時間最長的節點(首節點),在喚醒節點之前，會將節點移動到同步隊列中。

【案例】👉線程通信

Ⅴ. synchronized 和 ReentrantLock的區別

1. synchronized是和if、else、for、while一樣的關鍵字，ReentrantLock是類，這是二者的本質區別。
2. synchronized不需要顯示的定義鎖和釋放鎖。
3. 既然ReentrantLock是類，那么它就提供了比synchronized更多更靈活的特性，可以被繼承、可以有方法、可以有各種各樣的類變量，ReentrantLock比synchronized的擴展性體現在幾點上：
   1. ReentrantLock可以對獲取鎖的等待時間進行超時設置，這樣就避免了死鎖。
   2. 等待可中斷：當持有鎖的線程長期不釋放鎖的時候，正在等待的線程可以選擇放棄等待，對處理執行時間非常長的同步塊很有用。
   3. 可以實現公平策略
   4. ReentrantLock可以獲取各種鎖的信息。
   5. ReentrantLock可以靈活地實現多路通知

四. BlockingQueue - 阻塞式隊列

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Ⅰ. 特點

1. 滿足隊列特點：FIFO（First In First Out）

2. 阻塞：如果隊列為空，則試圖獲取元素的線程會被阻塞；如果隊列已滿，則試圖放入元素的線程會被阻塞。

3. 不允許元素為null（LinkedList允許）

4. 重要方法

   	拋出異常	返回特殊值	永久阻塞	定時阻塞
   添加	add - IllegalStateException	offer - false	put	offer
   獲取	remove - NoSuchElementException	poll - null	take	poll

Ⅱ. 常用的實現類

1. ArrayBlockingQueue阻塞式順序隊列
   1. 底層基於數組存儲數據
   2. 使用的時候需要指定容量，不能擴容
   3. 在多線程環境下不保證“公平性”
   4. 實現：ReentrantLock+Condition
2. LinkedBlockingQueue阻塞式鎖式隊列
   1. 底層基於節點來存儲數據
   2. 在使用的時候可以指定容量也可以不指定。如果指定容量，則容量不可變；如果不指定容量，則容量默認為Integer.MAX_VALUE = 2³¹-1不可變。因為實際開發中，一般不會在隊列中存儲21億個元素，所以一般認為此時的容量是無限的
3. PriorityBlockingQueue具有優先級的阻塞式隊列：
   1. 底層基於節點來存儲數據
   2. 使用的時候可以指定容量也可以不指定。如果不指定則默認初始容量是11
   3. PriorityBlockingQueue會對放入的元素來進行排序，默認情況下元素采用自然順序升序排序，要求元素對應的類實現Comparable接口，覆蓋compareTo方法指定比較規則。
4. SynchronousQueue 同步隊列
   1. 在使用的時候不需要指定容量，默認容量為1且只能為1
   2. 應用：交換工作，生產者的線程和消費者的線程同步以傳遞某些信息、事件或者任務

另：BlockingDeque阻塞式雙端隊列

1. 允許從兩端放入/獲取元素。
2. 遵循阻塞特點，在使用的時候需要指定容量。

五. 並發映射

六. 執行器服務