Java线程并发控制基础知识

微博上众神推荐今年4月刚刚出版的一本书，淘宝华黎撰写的《大型网站系统与Java中间件实践》，一线工程师的作品，实践出真知，果断要看。

前两章与《淘宝技术这十年》内容类似，基本是讲从一个小网站如何慢慢升级成分布式网站，从第三章开始亮出干货，个人感觉总结的很好，本文主要摘取并扩充下作者第三章的内容

作学习交流之用，非盈利性质

线程池、线程同步、互斥锁、读写锁、原子数、唤醒、通知、信号量、线程交换队列

线程池

推荐用ThreadPoolExecutor的工厂构造类Executors来管理线程池，线程复用线程池开销较每次申请新线程小，具体看代码以及注释

public class TestThread {
    /**
     * 使用线程池的方式是复用线程的（推荐）
     * 而不使用线程池的方式是每次都要创建线程
     * Executors.newCachedThreadPool()，该方法返回的线程池是没有线程上限的，可能会导致过多的内存占用
     * 建议使用Executors.newFixedThreadPool(n)
     *
     * 有兴趣还可以看下定时线程池：SecheduledThreadPoolExecutor
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        int nThreads = 5;

        /**
         * Executors是ThreadPoolExecutor的工厂构造方法
         */
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(nThreads);

        //submit有返回值，而execute没有返回值，有返回值方便Exception的处理
        Future res = executor.submit(new ConsumerThread());
        //executor.execute(new ConsumerThread());

        /**
         * shutdown调用后，不可以再submit新的task，已经submit的将继续执行
         * shutdownNow试图停止当前正执行的task，并返回尚未执行的task的list
         */
        executor.shutdown();

        //配合shutdown使用，shutdown之后等待所有的已提交线程运行完，或者到超时。继续执行后续代码
        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

        //打印执行结果，出错的话会抛出异常，如果是调用execute执行线程那异常会直接抛出，不好控制，submit提交线程，调用res.get()时才会抛出异常，方便控制异常
        System.out.println("future result:"+res.get());
    }

    static class ConsumerThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            for(int i=0;i<5;i++) {
                System.out.println(i);
            }
        }
    }
}

输出：
0
1
2
3
4
future result:null

线程同步

synchronized(this)和synchronized(MyClass.class)区别：前者与加synchronized的成员方法互斥，后者和加synchronized的静态方法互斥

synchronized的一个应用场景是单例模式的，双重检查锁

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
        　　if (singleton == null) {
            　　singleton = new Singleton();
        　　}
        }
    }
    return singleton;
    }
}  

注意：不过双重检查锁返回的实例可能是没有构造完全的对象，高并发的时候直接使用有问题，不知道在新版的java里是否解决了

所以有了内部类方式的单例模式，这样的单例模式有了延迟加载的功能（还有一种枚举方式的单例模式，用的不多，有兴趣的可以上网查）

//（推荐）延迟加载的单例模式
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
    　　private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
    　　return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}  

若不要延迟加载，在类加载的时候实例化对象，那直接这么写，如下：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
    　　return instance;
    }
}  

volatile保证同一变量在多线程中的可见性，所以它更多是用于修饰作为开关状态的变量

用synchronized修饰变量的get和set方法，不但可以保证和volatile修饰变量一样的效果（获取最新值），因为synchronized不仅会把当前线程修改的变量的本地副本同步给主存，还会从主存中读取数据更新本地副本。而且synchronized还有互斥的效果，可以有效控制并发修改一个值，因为synchronized保证代码块的串行执行。如果只要求获取最新值的特性，用volatile就好，因为volatile比较轻量，性能较好。

互斥锁、读写锁

ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock

JDK5增加了ReentrantLock这个类因为两点：

1.ReentrantLock提供了tryLock方法，tryLock调用的时候，如果锁被其他线程（同一个线程两次调用tryLock也都返回true）持有，那么tryLock会立即返回，返回结果是false。lock()方法会阻塞。

2.构造RenntrantLock对象可以接收一个boolean类型的参数，描述锁公平与否的函数。公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率相对低一些；非公平锁的好处是整体效率相对高一些。

注意：使用ReentrantLock后，需要显式地进行unlock，所以建议在finally块中释放锁，如下：

lock.lock();
try {
     //do something
}
finally {
     lock.unlock();
}

ReentrantReadWriteLock与ReentrantLock的用法类似，差异是前者通过readLock()和writeLock()两个方法获得相关的读锁和写锁操作。

原子数

除了用互斥锁控制变量的并发修改之外，jdk5中还增加了原子类，通过比较并交换（硬件CAS指令）来避免线程互斥等待的开销，进而完成超轻量级的并发控制，一般用来高效的获取递增计数器。

AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
counter.incrementAndGet();
counter.decrementAndGet();

可以简单的理解为以下代码，增加之后与原先值比较，如果发现增长不一致则循环这个过程。代码如下

public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value;
    public int getValue() {
        return value.getValue();
    }
    public int increment() {
        int oldValue = value.getValue();
        while (value.compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1) != oldValue)
            oldValue = value.getValue();
        return oldValue + 1;
    }
}

可以看IBM工程师的一篇文章Java 理论与实践: 流行的原子

唤醒、通知

wait,notify,notifyAll是java的Object对象上的三个方法，多线程中可以用这些方法完成线程间的状态通知。

notify是唤醒一个等待线程，notifyAll会唤醒所有等待线程。

CountDownLatch主要提供的机制是当多个（具体数量等于初始化CountDownLatch时的count参数的值）线程都到达了预期状态或完成预期工作时触发事件，其他线程可以等待这个事件来触发后续工作。

举个例子，大数据分拆给多个线程进行排序，比如主线程

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);

for(int i=0;i<5;i++) {
    threadPool.execute(new MyRunnable(latch,datas));
}

latch.await();

//do something 合并数据

MyRunnable的实现代码如下

public void run() {
     //do something数据排序
     latch.countDown(); 
　　 //继续自己线程的工作，与CyclicBarrier最大的不同，稍后马上讲
}

CyclicBarrier循环屏障，协同多个线程，让多个线程在这个屏障前等待，直到所有线程都到达了这个屏障时，再一起继续执行后面的动作。

使用CyclicBarrier可以重写上面的排序代码

主线程如下

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5+1); //主线程也要消耗一个await，所以+1

for(int i=0;i<5;i++) {
    threadPool.execute(new MyRunnable(barrier,datas));//如果线程池线程数过少，就会发生死锁
}

barrier.await();
//合并数据

MyRunnable代码如下

public void run() {
    //数据排序
    barrier.await();
}

//全部 count+1 await之后（包括主线程），之后的代码才会一起执行

信号量

Semaphore用于管理信号量，与锁的最大区别是，可以通过令牌的数量，控制并发数量，当管理的信号量只有1个时，就退化到互斥锁。

例如我们需要控制远程方法的并发量，代码如下

semaphore.acquire(count);
try {
     //调用远程方法
}
finally {
     semaphore.release(count);
}

线程交换队列

Exchanger用于在两个线程之间进行数据交换，线程会阻塞在Exchanger的exchange方法上，直到另外一个线程也到了同一个Exchanger的exchanger方法时，二者进行交换，然后两个线程继续执行自身相关代码。

public class TestExchanger {
    static Exchanger exchanger = new Exchanger();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread() {
            public void run() {
                int a = 1;
                try {
                    a = (int) exchanger.exchange(a);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread1: "+a);
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                int a = 2;
                try {
                    a = (int) exchanger.exchange(a);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread2: "+a);
            }
        }.start();
    }
}

输出结果：

Thread2: 1
Thread1: 2

并发容器

CopyOnWrite思路是在更改容器时，把容器写一份进行修改，保证正在读的线程不受影响，适合应用在读多写少的场景，因为写的时候重建一次容器。

以Concurrent开头的容器尽量保证读不加锁，并且修改时不影响读，所以会达到比使用读写锁更高的并发性能

最后向大家推荐下，淘宝华黎的这本书《大型网站系统与Java中间件实战》