Java基础：JUC包学习笔记

JUC 包

在 Java 5.0 提供了 java.util.concurrent(简称JUC)包,在此包中增加了在并发编程中很常用的工具类,用于定义类似于线程的自定义子系统,包括线程池,异步 IO 和轻量级任务框架;还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现等。

LOCK

java.util.concurrent.locks.Lock接口具有类似于synchronized代码块的线程同步功能，只是在使用时需要显式地获取和释放锁。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

ReentrantLock

ReentrantLock是Lock接口最常用的一个实现类，中文名是可重入锁，顾名思义，就是支持重进入的锁，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁的还支持获取锁时的公平和非公平性选择。公平锁就是等待锁的线程是要排队的，非公平锁是可以插队的，默认是非公平锁，因为让执行时间短的线程先上毕竟合理。

传统Synchronized代码块示例：

// 基本的卖票例子
import java.time.OffsetDateTime;
/**
* 真正的多线程开发，公司中的开发，降低耦合性
* 线程就是一个单独的资源类，没有任何附属的操作！
* 资源类就只有属性和方法
*/
public class SaleTicketDemo01 {
        public static void main(String[] args) {
        // 并发：多线程操作同一个资源类, 把资源类丢入线程
        Ticket ticket = new Ticket();
        // @FunctionalInterface 函数式接口，jdk1.8 lambda表达式 (参数)->{ 代码 }
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i < 40 ; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i < 40 ; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i < 40 ; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"C").start();
    }
}
// 资源类
class Ticket {
    // 属性
    private int number = 30;
	// synchronized方法：有票卖票
    public synchronized void sale(){
        if (number>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出了"+(number-
                    -)+"票,剩余："+number);
        }
    }
}

新型Lock锁示例：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SaleTicketDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
	// 并发：多线程操作同一个资源类, 把资源类丢入线程
        Ticket2 ticket = new Ticket2();
	// @FunctionalInterface 函数式接口，jdk1.8 lambda表达式 (参数)->{ 代码 }
        new Thread(()->{for (int i = 1; i < 40 ; i++)
            ticket.sale();},"A").start();
        new Thread(()->{for (int i = 1; i < 40 ; i++)
            ticket.sale();},"B").start();
        new Thread(()->{for (int i = 1; i < 40 ; i++)
            ticket.sale();},"C").start();
    }
}
/* Lock使用方法
   1、 new ReentrantLock(); 创建可重入锁对象
   2、 lock.lock();  加锁
   3、 finally=> lock.unlock();  解锁 */
class Ticket2 {
    // 属性、方法
    private int number = 30;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    public void sale(){
        /*lock()方法加锁，该方法后面一般跟着try-catch-finally，
        并把解锁方法放到finally中*/
        lock.lock(); 
        try {
		// 业务代码放在try中，即便报错也不影响解锁
            if (number>0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出了"+
                        (number--)+"票,剩余："+number);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
    }
}

上面两个写法打印结果一样。但实际开发中不会用synchronized。

synchronized 和 Lock 的区别：

  1. synchronized 是内置的Java关键字，Lock 是一个Java的类(接口)，可操作性更强。
  2. synchronized 无法判断获取锁的状态，Lock 可以判断是否获取到了锁。
  3. synchronized 会自动释放锁，lock 必须要手动释放锁！如果不释放锁，会死锁。
  4. synchronized 可能出现线程 1获得锁并阻塞，线程2一直等待的情况，Lock锁不一定会等待下去。
  5. synchronized : 可重入锁，不可中断锁，非公平锁；Lock : 可重入锁，可以中断锁，非公平锁(可以自己设置)。
  6. synchronized 适合锁少量的代码同步问题，Lock 适合锁大量的同步代码！

生产者和消费者问题

传统Synchronized代码块示例：

/**
* 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题！ 等待唤醒，通知唤醒
* 线程交替执行 A B 操作同一个变量 num = 0
* A num+1
* B num-1
*/
public class A {
    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
    }
}
//资源类
class Data{ // 成员属性(共享资源)：数字 
    private int number = 0;
    //+1方法
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        if (number!=0){
            this.wait();
        }
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我+1完毕了
        this.notifyAll();
    }
    //-1方法
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        if (number==0){
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我-1完毕了
        this.notifyAll();
    }
}

//打印结果符合预期
A=>1
B=>0
A=>1
B=>0
A=>1
B=>0
......

如果增加到四个线程，同样还是一加一减：

/**
* 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题！ 等待唤醒，通知唤醒
* 线程交替执行 A B 操作同一个变量 num = 0
* A num+1
* B num-1
*/
public class A {
    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
                new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"D").start();
    }
}
//资源类
class Data{ // 成员属性(共享资源)：数字 
    private int number = 0;
    //+1方法
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        if (number!=0){
            this.wait();
        }
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我+1完毕了
        this.notifyAll();
    }
    //-1方法
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        if (number==0){
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我-1完毕了
        this.notifyAll();
    }
}

//打印结果不符合预期
C=>1
B=>0
D=>-1
D=>-2
D=>-3
D=>-4
......

导致这种情况的是因为虚假唤醒，就是用if判断的话，唤醒后线程会从wait之后的代码开始运行，但是不会重新判断if条件，直接继续运行if代码块之后的代码，而如果使用while的话，也会从wait之后的代码运行，但是唤醒后会重新判断循环条件，如果不成立再执行while代码块之后的代码块，成立的话继续wait。

解决方法是把 if 改为 while 判断：

/**
* 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题！ 等待唤醒，通知唤醒
* 线程交替执行 A B 操作同一个变量 num = 0
* A num+1
* B num-1
*/
public class A {
Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"D").start();
    }
}
// 判断等待，业务，通知
class Data{ // 数字 资源类
    private int number = 0;
    //+1方法
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        while (number!=0){
            this.wait();
        }
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我+1完毕了
        this.notifyAll();
    }
    //-1方法
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        while (number==0){
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		// 通知其他线程，我-1完毕了
        this.notifyAll();
    }
}

//打印结果符合预期
A=>1
D=>0
C=>1
B=>0
C=>1
B=>0
C=>1
B=>0
......

新型JUC包示例:

两种技术对比图：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class B {
    public static void main(String[] args) {
        Data2 data = new Data2();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"D").start();
    }
}
//资源类
class Data2{ 
    //成员变量(共享资源)数字
    private int number = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    //condition.await(); 等待
	//condition.signalAll(); 唤醒全部
	//+1方法
    public void increment() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (number!=0){
                condition.await();
            }
            number++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
			// 通知其他线程，我+1完毕了
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    //-1方法
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (number==0){
                condition.await();
            }
            number--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
			// 通知其他线程，我-1完毕了
            condition.signalAll();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

//打印结果符合预期
A=>1
D=>0
C=>1
B=>0
C=>1
B=>0
C=>1
B=>0
......

新技术的优势：Condition 精准的通知和唤醒线程。

上面四个线程是随机执行的。如果要使四个线程按顺序循环执行呢？

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* @author 狂神说Java 24736743@qq.com
* A 执行完调用B，B执行完调用C，C执行完调用A
*/
public class C {
    public static void main(String[] args) {
        Data3 data = new Data3();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <10 ; i++) {
                data.printA();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <10 ; i++) {
                data.printB();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <10 ; i++) {
                data.printC();
            }
        },"C").start();
    }
}
class Data3{ // 资源类
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();
    //成员变量(共享资源)数字
    private int number = 1; 
    public void printA(){
        lock.lock();
        try {
			//业务: 判断-> 执行-> 通知
            while (number!=1){
				//数字=1则等待
                condition1.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>AAAAAA");
			//唤醒指定的线程: B
            number = 2;
            condition2.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void printB(){
        lock.lock();
        try {
			//业务: 判断-> 执行-> 通知
            while (number!=2){
                //数字=2则等待
                condition2.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>BBBBBB");
			//唤醒指定的线程: c
            number = 3;
            condition3.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void printC(){
        lock.lock();
        try {
            //业务: 判断-> 执行-> 通知
            while (number!=3){
                //数字=3则等待
                condition3.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>CCCCCC");
			//唤醒指定的线程: A
            number = 1;
            condition1.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

//打印结果：
A=>AAAAAA
B=>BBBBBB
C=>CCCCCC
A=>AAAAAA
B=>BBBBBB
C=>CCCCCC
......

八锁现象

八锁现象，就是关于锁的八个问题，这八个问题能让我们深刻理解我们的锁。

import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 1、标准情况下，两个线程先打印 发短信 还是 打电话？
* 2、邮件方法延迟4秒，两个线程先打印 发短信 还是 打电话？
*/
public class Test1 {
public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
		//锁的存在
        new Thread(()->{
            phone.sendSms();
        },"A").start();
		// 捕获
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        new Thread(()->{
            phone.call();
        },"B").start();
    }
}
class Phone{
    // synchronized 锁的对象是方法的调用者！、
	// 两个方法用的是同一个锁，谁先拿到谁执行！
    public synchronized void sendSms(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("发短信");
    }
    public synchronized void call(){
        System.out.println("打电话");
    }
}
/*
运行结果：
发短信
打电话 */

import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 3、 增加了一个普通方法后！先执行 发短信 还是 普通方法？ 
* 4、 两个对象，两个同步方法，先执行 发短信 还是 打电话？
*/
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 两个对象，两个调用者，两把锁！
        Phone2 phone1 = new Phone2();
        Phone2 phone2 = new Phone2();
        //锁的存在
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();
        // 捕获
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }
}
class Phone2{
    // synchronized 锁的对象是方法的调用者！
    public synchronized void sendSms(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("发短信");
    }
    public synchronized void call(){
        System.out.println("打电话");
    }
    // 这里没有锁！不是同步方法，不受锁的影响
    public void hello(){
        System.out.println("hello");
    }
}
/*
运行结果：
发短信
hello
打电话 */

import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 5、增加两个静态的同步方法，只有一个对象，先打印 发短信 还是 打电话？
* 6、两个对象！增加两个静态的同步方法， 先打印 发短信 还是 打电话？
*/
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        // 两个对象的Class类模板只有一个，static，锁的是Class
        Phone3 phone1 = new Phone3();
        Phone3 phone2 = new Phone3();
        //锁的存在
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();
        // 捕获
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }
}
// Phone3唯一的一个 Class 对象
class Phone3{
    // synchronized 锁的对象是方法的调用者！
    // static 静态方法
    // 类一加载就有了！锁的是Class
    public static synchronized void sendSms(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("发短信");
    }
    public static synchronized void call(){
        System.out.println("打电话");
    }
}
/*
运行结果：
发短信
打电话 */

import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 7、1个静态的同步方法，1个普通的同步方法 ，一个对象，先打印 发短信 还是 打电话？
* 8、1个静态的同步方法，1个普通的同步方法 ，两个对象，先打印 发短信 还是 打电话？
*/
public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
		// 两个对象的Class类模板只有一个，static，锁的是Class
        Phone4 phone1 = new Phone4();
        Phone4 phone2 = new Phone4();
		//锁的存在
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();
		// 捕获
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }
}
// Phone3唯一的一个 Class 对象
class Phone4{
    // 静态的同步方法 锁的是 Class 类模板
    public static synchronized void sendSms(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("发短信");
    }
    // 普通的同步方法 锁的调用者
    public synchronized void call(){
        System.out.println("打电话");
    }
}
/*
运行结果：
打电话
发短信 */

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