【Java入地】 01 多线程与高并发

多线程与高并发 synchronized 篇

进程 线程 协程/纤程（Quasur）

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线程：一个程序里不同的执行路径

public static class T1 extends Thread{
  @Override 
  public void run(){
    System.out.println("Override Theme 中的 run 方法");
  }
}
// 方法一
new MyThread().start();
// 方法二
new MyThread().start();
// 方法三
new Thread(()->{
	Sout("Hello World！");
})

• 创建线程的两种方式：

  • 创建一个类，继承Thread，重写方法
  • 定义一个类，实现 Runnable 接口，然后重写 run 方法

• 启动：

//方法一：
new MyThread().start();

//方法二：
new Thread(new MyRun()).start();

//方法三：
new Thread(()->{ Sout("Hello World！");});

• 面试
  • 问：启动线程的三种方式是？
  • 答：
    • 1、从 Thread 继承
    • 2、实现 Runnable 接口
    • 3、从线程池中启动 Executors.newCachedThrad

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线程的基本方法

在T1中调用 T2.join（）；则执行到 join 之后，T1进入等待模式，先执行完T2之后，再返回执行T1。

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// sleep 睡眠
Thread.sleep(500); // 毫秒

// Yield 让出一下CPU 进入等待队列（如果没有等待的则继续执行）
// 使用场景，较少
Thread.yield();

// Join
Thread T1 = new Thread(()->{
    T1.join();
})
Thread T2 = new Thread(()->{
    Sout("T2");
})

• 其他方法

// 暴力结束线程（不建议使用）
.stop()

// 唤起线程
.intereptor( )

// 获取线程状态。
.getState()

线程的锁

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1. 上锁

private int count = 10;
private Object o = new Object();

public void m(){
    synchronized(0){ //任何县城要执行下面的代码，则必须先拿到o
        count--;
    }
}
// synchronized(this) 等值于 synchronized(方法);

public class T{
    private static int count  = 10;
    public synchronized static void m(){ // 等同于synchronized(T.class)
    	count --;
	}
    public static void mm(){
        synchronized(T.class){
            count--;
        }
    }
}

synchronized的特性

1、锁的是对象，不是进程  / 线程 ； 2、能不加synchronized()锁就不加，加锁之后效率极低；

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• 可重入性

  • 一个方法m1加锁，另一个方法m2也加了锁（同一把锁），那么m1是可以调用m2的。

• 异常的锁

  • 程序中的锁的内容出现了异常，那么该锁将被释放。

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synchronized 底层实现

synchronized(Object) ;  括号中一定要是Object对象，不能是String 或其他任何类型；

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早期的锁：需要就去找操作系统申请、

发展后的：先乐观锁、后自旋锁、最后找系统实现（重量级锁 | 最浪费时间）

• 抱着“没有线程跟我争用”的心态去申请一个资源：此时是 偏向锁，只记录ID，不锁（默认没有第二个线程来访问）

• 如果有线程争用：升级为 自旋锁 循环10次（占用CPU）

• 10次之后要访问的资源还被锁着？升级为重量级锁 去操作系统申请锁（不占用 CPU）

自旋锁：在用户态解决问题，不经过内核态。

执行时间长的用系统锁，（加锁代码）执行时间特别短，线程较少，用自旋锁。

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总结

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• Lock( ) CAS使用自旋
• synchronized 是一种锁，其锁的目标是 对象 而不是线程 / 进程（用对象代替进程更易操作）
• 被锁的对象 必须是 Object 类型，不能是 String 或其他对象
• 锁申请资源的时候一定是 ：乐观锁
• 锁第一次升级的时候一定是：自旋锁（自旋十次，耗CPU，不走内核）
• 锁第二次升级的时候一定是：重量级锁（内核态，耗内核、耗时，不耗CPU）

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多线程与高并发 2 代码优化 及 volatile修饰 篇

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volatile 指令介绍

偏向锁  >  循环锁  >  重量级锁

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• 指令介绍

  • volatile // 可变的，易变的

• 指令功能

  • 保证线程可见性，禁止指令重排序。

  • 保证线程可见性：一个类的值给两个类同时调用，里面的变量改变后无法轻易发现（线程之间不可见）。

    volatile可以让一个线程发生改变之后，另一个线程可以马上知道。

    // 原理：CPU的缓存一致性协议。

  • 禁止指令重排序：CPU迸发执行指令，所以会对指令重新排序，加了volatile来保证重排序。

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举例介绍 及 代码优化

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• 饿汉式：（定义类的时候就实例化方法）

public class Mgr01{
  private static final Mgr01 INSTANCE = new Mgr01();
  private Mgr01(){};
  public static Mgr01 getInstance(){return INSTANCE;}
  public void m() {System.out.println("m");}
  public static void main(String[] args){
    Mgr01 m1 = Mgr01.getInstance();
    Mgr01 m2 = Mgr01.getInstance();
    System.out.println(m1 == m2);
  }
}

• 懒汉式：什么时候调用方法什么时候初始化（类似于懒加载）

public class Lazy{
    private Lazy(){}
    //默认不会实例化，什么时候用什么时候new
        private static Lazy lazy=null;
        public static synchronized Lazy getInstance(){
            if(lazy==null){
                lazy=new Lazy();
        	}
        	return lazy;
    	}
}

	饿汉式	懒汉式
安全	√
节省内存		√

• 懒汉饿汉合并：

类的定义：

public class Mgr01{
private /*volatile*/ static Mgr0x INSTANCE;
private Mgr0x(){};
public static Mgr01 getInstance(){
	//以下所有代码写的都是这一个方法
}
}

以下所有方法写的都是上面的 getInstance（）方法。

以上方法没有加volatile，最后会写上。

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• 直接判断null

// 先判断是否为空 然后再那啥：
public static Mgr03 getInstance(){
    if(INSTANCE == null){
        try{
            Thread.sleep(1);
        }catch(InterruotedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        INSTANCE = new Mgr03();
    }
    return INSTANCE;
}

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 这是一种错误的书写方式，自己抿；

• 先锁再null

public static synchronized Mgr04 getInstance(){
    if(INSTANCE == null){
        try{
            Thread.sleep(1);
        }catch(InterruotedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        INSTANCE = new Mgr04();
    }
    return INSTANCE;
}

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 修改正确，但是违背了 能不加锁就不加锁 原则。

• 锁细化：

public static Mgr05 getInstance(){
    if(INSTANCE == null){
        synchronized (Mgr05.class){
            try{
                Thread.sleep(1);
            }catch(InterruotedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            INSTANCE = new Mgr05();
        }
    }
    return INSTANCE;
}

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 这也是一种错误的书写方式（重复初始化）；

• 双重检查：

public static Mgr05 getInstance(){
    if(INSTANCE == null){
        synchronized (Mgr05.class){
            if(INSTANCE == null){
                try{
                    Thread.sleep(1);
                }catch(InterruotedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
                INSTANCE = new Mgr05();
            }
        }
    }
    return INSTANCE;
}

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 修改正确.......而且锁不加载外面，效率增高~~

• 关于volatile(主要是 指令重排序 )超高超高迸发的情况可能会发生：

// new对象的三步
INSTANCE = new Mgr06（）;

1. 申请内存并给初始值（int = 0，String = null；）
2. 修改值
3. 将值给对象

加 volatile 防止第二步第三步会颠倒；

• 一个求结果是 100000 的小程序

public class T{
    volatile int count = 0; // 加上vilatile
    synchronized void m(){  // 加上 synchronized
        for(int i=0;i<10000;i++){count++;}
    }


    public static void main(String[] args){
        T t = new T();
        List<Thread> threads = new ArraysList<~>();

        for(int i=0;i<10;i++){
            threads.add(new Thread(t::m,"threads-"+i));
        }

        threads.forEach((o)->o.start());

        threads.forEach((o)->{
          try{
              o.join();
          } catch(InterruptedException e){
              e.printStackTrace();
          }
        });
            System.out.println(t.count);
    }
}

只有加上了 synchronized & volatile 才能运行出正确结果，其中 synchronized 用来保证原子性。

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锁优化场景

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• 锁力度变小（争用不是很激烈的话）

如果有一群要争用的代码，那么可以将方法上的 synchronized 写到 count++ 上；

• 锁力度变大（争用很激烈很频繁的话）

假如一个方法里面 总共 20 行代码，加了19个锁，那不如直接用一个大的锁。

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锁的对象被调用

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public class = T{
    Object o = new Object();// 错误修改点
    
    synchronized(0){
        sout("123");
    }

    public void zbc(){
        T t = new T();
        t.o = "a";
    }

↑ ↑ ↑ 以上代码错误！以下为修改 ↓ ↓ ↓

final Object o = new Object();

有些类在创建的时候直接加了锁

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Atomic 开头的 ( AtomicInteger count = new AtomicInteger( ); // 让count进行原子性加减)

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CAS ( Compare And Set ) 无锁优化 乐观锁

在请求的时候就乐观的认为 代码里的值就是我的期望值

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cas (V ,Expected,NewValue){
    if （V == Expected）{
        V = NewValue;
	}else{
        tryAgain or fail;
    }
}

↑ ↑ ↑ 以上是在CPU 原语上的支持，不能被打断。

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ABA 问题（与前女友复合之后，其实她已经经历了n个男人；）

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有个对象 object == 1；想使用cas把它变成2:

cas(object,1,2);//没有线程进行操作，可以进行更改

如果在更改的时候有一个线程给 object 改成了2，然后又改成了 1 ；在基础类型（如：int）没有影响，但是 Object 对象有影响；

解决方法：做 cas 的时候加个版本号：version

解决方法：使用 AutomicStampedReference ( unsafe 什么时候调用什么时候返回这个值 )

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思考

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• 什么是 volatile ？ 它有什么用？
• 什么是 synchronized ？ 什么是 CAS ？两者有什么区别？分别在什么场景下使用？
• 什么时候要对锁进行细化？什么 时候进行泛化？
• 什么是 ABA 问题？有什么影响？怎么解决？

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各式锁的实际应用

公平锁？不公平锁？乐观锁？悲观锁？自旋锁？重量级锁？读写锁？

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乐观锁 cas

（要改的对象，期望的值，要给的值）无锁操作，其实是一个乐观锁......cas本身可以看成是一个锁；

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• automic ： 一种使用 cas 实现的原子性操作（上篇中提过）

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原子操作的简单方法：

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函数	效果	备注
AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);	int a = 0;	创建对象a并且赋初值为0；
a.incrementAndGet( )；	i++;	对原值+1后返回；
a.getAndIncrement( )；	++i；	对原值返回后+1；
a.addAndGet(i);	a+=i;	返回a+i；
a.getAndAdd(i);	a+=i;	返回原值之后给a+i；

在线程很多的情况下：LongAdder（分段锁：在线程多的时候有优势） > Atomic > synchronized。

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Synchronized 的可重入性：

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//可重入：
synchronized void m1(){
for(int i = 1;i<10;i++){
try{
	TimeUtil.SECONDS.sleep(1);// 睡一秒
	}catch(InterruptedException e){
	e.printStackTrace();
	}
sout(i);
}

}

synchronized void m2(){sout("m2...");}

public static void main(String[] args){
T01_ReentrantLock1 r1 = new T01_ReentrantLock1();
new Thread(r1::m1).start();
try{
TimeUtil.SECONDS.sleep(1);// 睡一秒
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
new Thread(r1::m2).start();
}

输出结果：0 1 23 4 5 6 7 8 9 m2...

代码修改：synchronized

//可重入：
synchronized void m1(){
  for(int i = 1;i<10;i++){
    try{
    	TimeUtil.SECONDS.sleep(1);// 睡一秒
    }catch(InterruptedException e){
      e.printStackTrace();
    }
    sout(i);
    if(i == 2){
    	new Thread(r1::m2).start();
    }
  }
}

synchronized void m2(){sout("m2...");}

public static void main(String[] args){
  T01_ReentrantLock1 r1 = new T01_ReentrantLock1();
  new Thread(r1::m1).start();
  try{
    TimeUtil.SECONDS.sleep(1);// 睡一秒
  }catch(InterruptedException e){
    e.printStackTrace();
  }

}

输出结果：0 1 2 m2 ... 3 4 5 6 7 8 9

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lock():替代 synchronized 的方法;

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Lock lock = new ReentrantLock();

• 特点：

  • 需要手动上锁 lock.lock( );
  • 需要手动解锁lock.unlock( );
  • 防止进程出错而导致死锁，需要try{ …… }catch( ){ …… }

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• 优点：

  • 可以使用tryLock()尝试上锁；

  • 当 synchronized遇到锁之后只能等待，而tryLock()可以自定义等待时间；

  • locked = lock.tryLock(SECONDS(时间长度),TimeUtil.SECONDS（时间格式：秒）);
    

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• 常用方法：

方法	参数	用法
.lock( );	null	锁定
.unlock( );	null	释放
.tryLock(n,TimeUtil.SECONDS);	时间长度 时间单位	等待参数时间过程中: 如果当前进程释放了，则锁定; 不释放则不锁定；
.lockInterruptibly( );	null；	可以相应被打断的锁；
.interrupt( );	Null;	打断这个锁；

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公平锁

ReetrantLock lock = new ReentrantLock( true );

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• 概念：
  • 当执行队列中有线程正在排队的时候：
    • 公平锁：继续等待，排队执行；
    • 不公平锁：不等待，直接抢，有可能抢到第一个执行；
• 创建方式：
  • 在创建锁的时候加个 true 创建出来的就是公平锁；

public class T05_ReentrantLock extends Thread(){
	private stratic ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
  public void run(){
    for(int i = 0;i<100;i++){
      lock.lock();
      try{
        Sout(Thread.currentThread().getName()+"获得锁");
      }finally{
        lock.unlock();
      }
    }
  }
}

一个倒计时的门栓 CountDownLatch

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CountDownLatch latch = CountDownLatch( threads.length ); //创建一个length长度的门栓

.await() 阻塞

原join() 当前线程结束自动往前走

.countDown() 原子性--

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栅栏工具 CyclicBarrier

循环栅栏工具

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// 一个参数：不到20的时候，等待，到了20个，这20个发车，再来的继续等待
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(20);
// 两个参数：
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(20，run);
run(){ Sout("满员，发车！"); }
//lambdo 表达式
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(20，()->Sout("满员，发车！"));

同步进行的 Phaser

按照不同的阶段对线程进行划分。

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• 使用场景：

  • 遗传算法
  • 现实生活一步一步执行的场景（如：婚礼）
  • 像是一个一个栅栏一样

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• 使用方法：

  • 自定义一个类，继承 Phaser类；

    static class MarrigePhaser extends Phaser

  • 重写onAdvance方法；（栅栏被推倒的时候自动调用）

    protected boolean onAdvance(int phase,int registeredParties)

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• 方法：

  phaser.arriveAndAwaitAdvance();	//执行结束，开始等待；
  phaser.arriveAndDeregister();	//执行结束，不进入下一阶段；
  

读写锁

程序中的读写锁（一种排他锁、共享锁）

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• 概念

  • 当A进程在读取ABCD的时候，B进程也来读取ABCD，同时发现A进程在读取，则读取成功；
  • 当A进程在读取ABCD的时候，B进程来修改ABCD，同时发现A进程在读取，若此时更改ABCD的内容，则A进程读取会出问题，所以修改失败；
  • 总结：两个都是读取的进程可以同时进行，当有 读 进程在进行时，无法进行 写 进程，写同理；

• 作用

  • 避免 / 减少 脏数据

static ReadWriteLoak readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
//在 ReentrantReadWriteLock 中 分出一个 `readLock`一个`writeLock`
static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();

public static void read(Lock lock){
    try{
        lock.lock();
        Thread.sleep(1000);
        Sout("read over!");
        // 模拟读取过程
    }catch(InterruptedException e){
        e.peintStackTrace();
    }finally{
        lock.unlock();
    }
}

public static void write(Lock lock,int a){
    try{
        lock.lock();
        Thread.sleep(1000);
        Sout("write "+ a +"over!");
        // 模拟读取过程
    }catch(InterruptedException e){
        e.peintStackTrace();
    }finally{
        lock.unlock();
    }
}
    
public static void main(String[] args){
    
    Runnable readR = ()->read(lock);    
    //Runnable readR = ()->read(readLock);
    
    Runnable write = ()->write(lock,new Random().nextInt());
    
    for (int i=0;i<18;i++)new Thread(readR ).start();
    for (int i=0;i<2 ;i++)new Thread(writeR).start();
	}
}

// 如果使用 ReentrantLock的话，以上代码在执行读的时候也需要等待一秒；

// 解决方法：将Main方法中的读锁换成`Runnable readR = ()-> read(readLock);

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Semaphore 一个有意思的线程池

Semaphore s = new Semaphore(x);x是几则这个 < 线程池 > 就 允许几个线程 同时执行。

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public static void main(String[] args){
    Semaphore s = new Semaphore(1);
    //括号中数字为x时，允许x个线程同时执行
    
    // T1 Running
    new Thread(()->{
        try{
            s.acquire();
            // 进来一个进程 1 变成 0 ，别的线程不能执行
            Sout("T1 Running");
            Thread.sleep(200);
            Sout("T1 Running");
        }catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            s.release();
            // 离开一个进程 0 变成 1 ，别的线程可以执行
        }
    });
    
        // T2 Running
        new Thread(()->{
        try{
            s.acquire();
            // 进来一个进程 1 变成 0 ，别的线程不能执行
            Sout("T2 Running");
            Thread.sleep(200);
            Sout("T2 Running");
        }catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            s.release();
            // 离开一个进程 0 变成 1 ，别的线程可以执行
        }
    });
}

如果x==1则运行结果是T1 T1 T2 T2，否则可能是T1 T2 T1 T2

Exchanger 用于 < ! 两个 ! > 线程交换数据的方法

使用场景：双人游戏中两人交换装备！执行一次就失效，可以循环等待下一次；

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public static void main(String[] args){
    // T1
    new Thread(()->{
        String s = "T1";
        try{
            s = sxchanger.exchange(s);
        }cathc(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        Sout(Thread.currentThread().getName()+""+s);
    },"t1").start();
    
    // T2
    new Thread(()->{
        String s = "T2";
        try{
            s = sxchanger.exchange(s);
        }cathc(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        Sout(Thread.currentThread().getName()+""+s);
    },"t2").start();
}

线程中有两个变量，分别是 s 和 s （局部变量），两个线程同时执行，最后交换 T1 与 T2 的值；

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分布式锁

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只是某个类型的锁，将来补充概念。

总结 ：

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• 无论何种情况，优先考虑使用synchronized
• 什么情况下使用lock（）？它与 synchronized（）相比有什么优点？
• 为什么使用读写锁？读写锁是怎么实现的？
• 随机列举一些跟锁一起使用的方法~~
• 把标题下的各种锁的使用场景和实现方式全都想一遍~

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