文章目录

基础
管程
内存模型
无锁并发
线程池
AQS 原理与锁
线程安全集合类
并发设计模式
参考资料

基础

1.进程与线程

进程是程序的实例，包含指令和数据，拥有共享资源，线程是指令流，是进程的子集，线程比进程轻量，上下文切换成本较低

通信

进程间通信较为复杂

同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP

线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量

2.并发与并行

并发：微观上串行执行时间片，宏观上并行执行了多任务
并行：同时做多件事

多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率要分情况，有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分，也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义

3.同步与异步

同步：需要等待结果返回，才能继续运行
异步：不需要等待结果返回，就能继续运行

多线程可以让方法执行变为异步的，在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时可以开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程

4.主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束

5.Thread 与 Runnable

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
    
    
 @Override
 // run 方法内实现了要执行的任务
 public void run() {
    
    
 log.debug("hello");
 }
};
t1.start();

创建线程的方式2-使用 Runnable 配合 Thread

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
    
    
 @Override
 public void run() {
    
    
 log.debug("hello");
 }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开，用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

6.线程方法

方法名	功能	注意
start()	启动一个新线程，在新的线程运行 run 方法中的代码	start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException
run()	新线程启动后会调用的方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
join()	等待线程运行结
束
join(long n)	等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒
getId()	获取线程长整型的 id	id 唯一
getName()	获取线程名
setName(String)	修改线程名	线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它，如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
getPriority()	获取线程优先级
setPriority(int)	修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
getState()	获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()	判断是否被打断	不会清除打断标记
isAlive()	线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()	打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join，会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记，如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标记，park 的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	判断当前线程是否被打断	static方法，会清除打断标记
currentThread()	获取当前正在执行的线程	static方法
sleep(long n)	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程	static方法，调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态
yield()	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	static方法，主要是为了测试和调试，调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态

7.线程状态

操作系统层面五种状态

在这里插入图片描述

初始状态：仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
可运行状态（就绪状态）：指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
运行状态：指获取了 CPU 时间片运行中的状态，当 CPU 时间片用完，会从运行状态转换至可运行状态，会导致线程的上下文切换
阻塞状态：如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入阻塞状态，等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至可运行状态
终止状态：表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

Java Thread.State 六种状态

在这里插入图片描述

NEW：线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
RUNNABLE：当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的可运行状态、运行状态和阻塞状态（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED：WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对阻塞状态的细分
TERMINATED：当线程代码运行结束

管程

管程，指的是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让他们支持并发

1.共享问题、临界区、竞态条件

在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，会出现共享问题，一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区（Critical Section），多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件（ Race Condition）

2.Monitor

Monitor 被翻译为监视器或管程，每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

java 对象头结构
在这里插入图片描述
其中 Mark Word 结构为

Monitor 结构

在这里插入图片描述

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程

3.synchronized

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化，轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    
    
    synchronized( obj ) {
    
    
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    
    
    synchronized( obj ) {
    
    
        // 同步块 B
    }
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word
让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
如果 cas 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
如果 cas 失败，有两种情况：如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程，如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，成功，则解锁成功，失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞

在这里插入图片描述

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

在这里插入图片描述

偏向锁特征：

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID，当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

锁消除

逃逸分析的优化之一

锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化

4.wait & notify

在这里插入图片描述

Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入EntryList 重新竞争

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
它们状态都是 TIMED_WAITING

虚假唤醒

notify 只能随机唤醒一个 WaitSet 中的线程，这时如果有其它线程也在等待，那么就可能唤醒不了正确的线程，称之为虚假唤醒，解决方法，改为 notifyAll

用 notifyAll 仅解决某个线程的唤醒问题，但使用 if + wait 判断仅有一次机会，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了，解决方法，用 while + wait，当条件不成立，再次 wait

5.Park & Unpark

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

与 Object 的 wait & notify 相比

wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
park & unpark 是以线程为单位来阻塞和唤醒线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，就不那么精确
park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify

6.活跃性

死锁

当锁资源循环依赖时出现死锁，一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

死锁发生的四个必要条件:

互斥条件：同一时间只能有一个线程获取资源
不可剥夺条件：一个线程已经占有的资源，在释放之前不会被其它线程抢占
请求和保持条件：线程等待过程中不会释放已占有的资源
循环等待条件：多个线程互相等待对方释放资源

死锁预防，那么就是需要破坏这四个必要条件

由于资源互斥是资源使用的固有特性，无法改变，不讨论
破坏不可剥夺条件
一个进程不能获得所需要的全部资源时便处于等待状态，等待期间他占有的资源将被隐式的释放重新加入到系统的资源列表中，可以被其他的进程使用，而等待的进程只有重新获得自己原有的资源以及新申请的资源才可以重新启动，执行
破坏请求与保持条件
第一种方法静态分配即每个进程在开始执行时就申请他所需要的全部资源
第二种是动态分配即每个进程在申请所需要的资源时他本身不占用系统资源
破坏循环等待条件
采用资源有序分配其基本思想是将系统中的所有资源顺序编号，将紧缺的，稀少的采用较大的编号，在申请资源时必须按照编号的顺序进行，一个进程只有获得较小编号的进程才能申请较大编号的进程。

活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束

活锁不会阻塞线程，线程会一直重复执行某个相同的操作，并且一直失败重试

饥饿

一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束

饥饿分为两种情况：

一种是其他的线程在临界区做了无限循环或无限制等待资源的操作，让其他的线程一直不能拿到锁进入临界区，对其他线程来说，就进入了饥饿状态
另一种是因为线程优先级不合理的分配，导致部分线程始终无法获取到CPU资源而一直无法执行

解决饥饿的问题有几种方案

保证资源充足，很多场景下，资源的稀缺性无法解决
公平分配资源，在并发编程里使用公平锁，例如FIFO策略，线程等待是有顺序的，排在等待队列前面的线程会优先获得资源
避免持有锁的线程长时间执行，很多场景下，持有锁的线程的执行时间也很难缩短

7.ReentrantLock

详细原理在后文

与 synchronized 一样，都支持可重入（可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住）

// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
    
    
 // 临界区
} finally {
    
    
 // 释放锁
	reentrantLock.unlock();
}

ReentrantLock 支持可打断、锁超时、公平锁、条件变量

条件变量

synchronized 中也有条件变量，即 waitSet 休息室，当条件不满足时进入 waitSet 等待

ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息

而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒

条件变量通过 await() 进入，条件变量内的阻塞线程通过 signal() 唤醒

static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
waitbreakfastQueue.await();
waitbreakfastQueue.signal();

使用要点：

await 前需要获得锁
await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行

8.lock vs synchronized

不同点

语法层面
- synchronized 是关键字，源码在 jvm 中，用 c++ 语言实现
- Lock 是接口，源码由 jdk 提供，用 java 语言实现
- 使用 synchronized 时，退出同步代码块锁会自动释放，而使用 Lock 时，需要手动调用 unlock 方法释放锁
功能层面
- 二者均属于悲观锁、都具备基本的互斥、同步、锁重入功能
- Lock 提供了许多 synchronized 不具备的功能，例如获取等待状态、公平锁、可打断、可超时、多条件变量
- Lock 有适合不同场景的实现，如 ReentrantLock， ReentrantReadWriteLock
性能层面
- 在没有竞争时，synchronized 做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能不赖
- 在竞争激烈时，Lock 的实现通常会提供更好的性能

内存模型

JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障

1.线程切换带来的原子性

线程切换会造成指令交错

在这里插入图片描述

解决办法：使用 synchronized 关键字上锁用互斥方式保证原子性

2.缓存导致的可见性

在这里插入图片描述
当 t 线程频繁从主存中读取热点数据时，JIT 编译器会将热点数据缓存至高速缓存，减少对主存的访问，提高效率

但是当其他线程改变了主存中的值时，t 线程只能读到旧值，也就造成了可见性的问题

解决方法：使用 volatile 关键字修饰成员变量和静态成员变量，可以强制线程必须从主存中读取值

内存屏障

可见性
写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
有序性
写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

3.编译优化带来的有序性

编译优化会造成指令重排

原本的 new 逻辑：

分配一块内存 M
在内存 M 上初始化 Singleton 对象
然后 M 的地址赋值给 instance 变量

实际上优化后的执行路径却是这样的：

分配一块内存 M
将 M 的地址赋值给 instance 变量
最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象

在这里插入图片描述

解决方法：使用 volatile 关键字禁止指令重排

Happens-Before

Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

JMM 的设计分为两部分，一部分是面向程序员提供，也就是happens-before规则，通俗易懂的向程序员阐述了一个强内存模型，只要理解 happens-before规则，就可以编写并发安全的程序了。另一部分是针对 JVM 实现的，为了尽可能少的对编译器和处理器做约束，从而提高性能，JMM 在不影响程序执行结果的前提下对其不做要求，即允许优化重排序。程序员只需要关注前者就好了，也就是理解 happens-before 规则

Happens-Before 规则

程序顺序规则：一个线程中的每一个操作，happens-before 于该线程中的任意后续操作
监视器规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁
volatile规则：对一个volatile变量的写，happens-before 于任意后续对一个volatile变量的读
传递性：若果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C
线程启动规则：Thread 对象的 start() 方法，happens-before 于这个线程的任意后续操作
线程终止规则：线程中的任意操作，happens-before 于该线程的终止监测
线程中断操作：对线程 interrupt() 方法的调用，happens-before 于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
对象终结规则：一个对象的初始化完成，happens-before 于这个对象的 finalize() 方法的开始

无锁并发

1.CAS 与 volatile

public void withdraw(Integer amount) {
    
    
    while(true) {
    
    
        // 需要不断尝试，直到成功为止
        while (true) {
    
    
            // 比如拿到了旧值 1000
            int prev = balance.get();
            // 在这个基础上 1000-10 = 990
            int next = prev - amount;
             /*
             compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
             - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
             比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
             那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
             - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
             */
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
    
    
                break;
            }
        }
    }
}

以上例子实现无锁并发的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作

在这里插入图片描述

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下，因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一，但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

乐观锁与悲观锁

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，不断重试
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，上了锁都改不了，解开锁其他线程才有机会

2.原子整数

juc 包提供了原子整数类型：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());
// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());
// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());
// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());
// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));
// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));
// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
// 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
// getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
// getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
// 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));

3.原子引用

因为要保护的共享数据并不是只有基本类型，其他类型的保护需要原子引用，如下使用

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

juc 包提供了原子引用类型：AtomicReference、AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference

用 AtomicStampedReference 中的版本号可以解决 ABA 问题

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
    log.debug("main start...");
    // 获取值 A
    String prev = ref.getReference();
    // 获取版本号
    int stamp = ref.getStamp();
    log.debug("版本 {}", stamp);
    // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
    other();
    sleep(1);
    // 尝试改为 C
    log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
}
private static void other() {
    
    
    new Thread(() -> {
    
    
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
                ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    }, "t1").start();
    sleep(0.5);
    new Thread(() -> {
    
    
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
                ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    }, "t2").start();
}

4.原子数组

原子引用只能对对象引用保护，不能保护对象里面的内容，比如数组，这时候可以用原子数组，如下使用

 new AtomicIntegerArray(10)

juc 包提供了原子数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

5.字段更新器

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常，如下使用

private volatile int field;
AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");

juc 包提供了字段更新器类型：AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater

6.原子累加器

原子累加器的性能很高，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加 Cell[1]… 最后将结果汇总，这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能

以 LongAdder 为例

LongAdder 类有几个关键域

// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;

伪共享

一个 cell 对象被加载进了多个缓存行，叫做伪共享

// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
    
    
    volatile long value;
    Cell(long x) {
    
     value = x; }

    // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
    final boolean cas(long prev, long next) {
    
    
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    }
    // 省略不重要代码
}

从缓存说起

在这里插入图片描述

因为 CPU 与内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率

而缓存以缓存行为单位，每个缓存行对应着一块内存，一般是 64 byte（8 个 long）

缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中

CPU 要保证数据的一致性，如果某个 CPU 核心更改了数据，其它 CPU 核心对应的整个缓存行必须失效

在这里插入图片描述

因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了：Core-0 要修改 Cell[0] ，Core-1 要修改 Cell[1]

无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加 Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效

@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的 padding，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效

在这里插入图片描述
累加操作

源码

public void add(long x) {
    
    
    // as 为累加单元数组
    // b 为基础值
    // x 为累加值
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // 进入 if 的两个条件
    // 1. as 有值, 表示已经发生过竞争, 进入 if
    // 2. cas 给 base 累加时失败了, 表示 base 发生了竞争, 进入 if
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
    
    
        // uncontended 表示 cell 没有竞争
        boolean uncontended = true;
        if (
            // as 还没有创建
                as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                        // 当前线程对应的 cell 还没有
                        (a = as[getProbe() & m]) == null ||
                        // cas 给当前线程的 cell 累加失败 uncontended=false ( a 为当前线程的 cell )
                        !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))
        ) {
    
    
            // 进入 cell 数组创建、cell 创建的流程
            longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }
}

流程图

在这里插入图片描述

7.UnSafe

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得

Unsafe 不是指线程不安全，而是指这个类较为底层，不建议程序员直接使用

public class UnsafeAccessor {
    
    
    static Unsafe unsafe;
    static {
    
    
        try {
    
    
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
    
    
            throw new Error(e);
        }
    }
    static Unsafe getUnsafe() {
    
    
        return unsafe;
    }
}

线程池

Java 线程的创建非常昂贵，需要 JVM 和 OS（操作系统）配合完成大量的工作：

必须为线程堆栈分配和初始化大量内存块，其中包含至少 1MB 的栈内存。
需要进行系统调用，以便在 OS（操作系统）中创建和注册本地线程。

Java 高并发应用频繁创建和销毁线程的操作是非常低效的，而且是不被编程规范所允许的，降低Java线程的创建成本则必须使用到线程池，线程池主要解决了以下两个问题：

提升性能：线程池能独立负责线程的创建、维护和分配。在执行大量异步任务时，可以不需要自己创建线程，而是将任务交给线程池去调度。线程池能尽可能使用空闲的线程去执行异步任务，最大限度地对已经创建的线程进行复用，使得性能提升明显
线程管理：每个 Java 线程池会保持一些基本的线程统计信息，例如完成的任务数量、空闲时间等，以便对线程进行有效管理，使得能对所接收到的异步任务进行高效调度

1.自定义线程池

在这里插入图片描述
步骤1：自定义拒绝策略接口

@FunctionalInterface // 拒绝策略
interface RejectPolicy<T> {
    
    
	void reject(BlockingQueue<T> queue, T task);
}

步骤2：自定义任务队列

class BlockingQueue<T> {
    
    
    // 1. 任务队列
    private Deque<T> queue = new ArrayDeque<>();
    // 2. 锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 3. 生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    // 4. 消费者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();
    // 5. 容量
    private int capcity;
    public BlockingQueue(int capcity) {
    
    
        this.capcity = capcity;
    }
    // 带超时阻塞获取
    public T poll(long timeout, TimeUnit unit) {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            // 将 timeout 统一转换为 纳秒
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            while (queue.isEmpty()) {
    
    
                try {
    
    
                    // 返回值是剩余时间
                    if (nanos <= 0) {
    
    
                        return null;
                    }
                    nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            T t = queue.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
    // 阻塞获取
    public T take() {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            while (queue.isEmpty()) {
    
    
                try {
    
    
                    emptyWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            T t = queue.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
    // 阻塞添加
    public void put(T task) {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            while (queue.size() == capcity) {
    
    
                try {
    
    
                    log.debug("等待加入任务队列 {} ...", task);
                    fullWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("加入任务队列 {}", task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
    // 带超时时间阻塞添加
    public boolean offer(T task, long timeout, TimeUnit timeUnit) {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while (queue.size() == capcity) {
    
    
                try {
    
    
                    if(nanos <= 0) {
    
    
                        return false;
                    }
                    log.debug("等待加入任务队列 {} ...", task);
                    nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("加入任务队列 {}", task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
    public int size() {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            return queue.size();
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
    public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            // 判断队列是否满
            if(queue.size() == capcity) {
    
    
                rejectPolicy.reject(this, task);
            } else {
    
     // 有空闲
                log.debug("加入任务队列 {}", task);
                queue.addLast(task);
                emptyWaitSet.signal();
            }
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
}

步骤3：自定义线程池

class ThreadPool {
    
    
    // 任务队列
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;
    // 线程集合
    private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();
    // 核心线程数
    private int coreSize;
    // 获取任务时的超时时间
    private long timeout;
    private TimeUnit timeUnit;
    private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;
    // 执行任务
    public void execute(Runnable task) {
    
    
        // 当任务数没有超过 coreSize 时，直接交给 worker 对象执行
        // 如果任务数超过 coreSize 时，加入任务队列暂存
        synchronized (workers) {
    
    
            if(workers.size() < coreSize) {
    
    
                Worker worker = new Worker(task);
                log.debug("新增 worker{}, {}", worker, task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
    
    
                // taskQueue.put(task);
                // 1) 死等
                // 2) 带超时等待
                // 3) 让调用者放弃任务执行
                // 4) 让调用者抛出异常
                // 5) 让调用者自己执行任务
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy, task);
            }
        }
    }
    public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapcity,
                      RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) {
    
    
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapcity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }
    class Worker extends Thread{
    
    
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task) {
    
    
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
    
    
            // 执行任务
            // 1) 当 task 不为空，执行任务
            // 2) 当 task 执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行
            // while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
    
    
            while(task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) {
    
    
                try {
    
    
                    log.debug("正在执行...{}", task);
                    task.run();
                } catch (Exception e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                } finally {
    
    
                    task = null;
                }
            }
            synchronized (workers) {
    
    
                log.debug("worker 被移除{}", this);
                workers.remove(this);
            }
        }
    }
}

步骤4：测试

public static void main(String[] args) {
    
    
    ThreadPool threadPool = new ThreadPool(1,
            1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 1, (queue, task)->{
    
    
        // 1. 死等
        // queue.put(task);
        // 2) 带超时等待
        // queue.offer(task, 1500, TimeUnit.MILLISECONDS);
        // 3) 让调用者放弃任务执行
        // log.debug("放弃{}", task);
        // 4) 让调用者抛出异常
        // throw new RuntimeException("任务执行失败 " + task);
        // 5) 让调用者自己执行任务
        task.run();
    });
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
    
    
        int j = i;
        threadPool.execute(() -> {
    
    
            try {
    
    
                Thread.sleep(1000L);
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug("{}", j);
        });
    }
}

2.ThreadPoolExecutor

在这里插入图片描述

ThreadPoolExecutor 使用 int 的高 3 位来表示线程池状态，低 29 位表示线程数量

线程池状态
在这里插入图片描述

这些信息存储在一个原子变量 ctl 中，目的是将线程池状态与线程个数合二为一，这样就可以用一次 cas 原子操作进行赋值

// c 为旧值， ctlOf 返回结果为新值
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))));
// rs 为高 3 位代表线程池状态， wc 为低 29 位代表线程个数，ctl 是合并它们
private static int ctlOf(int rs, int wc) {
    
     return rs | wc; }

构造方法

在这里插入图片描述
工作方式

在这里插入图片描述

线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务
当线程数达到 corePoolSize 并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue 队列排队，直到有空闲的线程
如果队列选择了有界队列，那么任务超过了队列大小时，会创建 maximumPoolSize - corePoolSize 数目的线程来救急
如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现，其它著名框架也提供了实现：
1.AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认策略
2.CallerRunsPolicy 让调用者运行任务
3.DiscardPolicy 放弃本次任务
4.DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之
5.Dubbo 的实现，在抛出 RejectedExecutionException 异常之前会记录日志，并 dump 线程栈信息，方便定位问题
6.Netty 的实现，是创建一个新线程来执行任务
7.ActiveMQ 的实现，带超时等待（60s）尝试放入队列
8.PinPoint 的实现，它使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中每种拒绝策略
当高峰过去后，超过corePoolSize 的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由 keepAliveTime 和 unit 来控制

newFixedThreadPool

在这里插入图片描述
newCachedThreadPool

在这里插入图片描述
特点：

核心线程数是 0，最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，意味着全部都是救急线程（60s 后可以回收），救急线程可以无限创建
队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是，它没有容量，没有线程来取是放不进去的
整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲 1分钟后释放线程。适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

newSingleThreadExecutor

在这里插入图片描述
提交任务

// 执行任务
void execute(Runnable command);
// 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
// 提交 tasks 中所有任务
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
	throws InterruptedException;
// 提交 tasks 中所有任务，带超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)
	throws InterruptedException;
// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
	throws InterruptedException, ExecutionException;
// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)
	throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

关闭线程池

shutdown

/*
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
public void shutdown() {
    
    
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
    
    
        checkShutdownAccess();
        // 修改线程池状态
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        // 仅会打断空闲线程
        interruptIdleWorkers();
        onShutdown(); // 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
    
    
        mainLock.unlock();
    }
    // 尝试终结(没有运行的线程可以立刻终结，如果还有运行的线程也不会等)
    tryTerminate();
}

shutdownNow

public List<Runnable> shutdownNow() {
    
    
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
    
    
        checkShutdownAccess();
        // 修改线程池状态
        advanceRunState(STOP);
        // 打断所有线程
        interruptWorkers();
        // 获取队列中剩余任务
        tasks = drainQueue();
    } finally {
    
    
        mainLock.unlock();
    }
    // 尝试终结
    tryTerminate();
    return tasks; 
}

其它方法

// 不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
boolean isShutdown();
// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();
// 调用 shutdown 后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

任务调度线程池

在任务调度线程池功能加入之前，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能，Timer 的优点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
// 添加两个任务，希望它们都在 1s 后执行
executor.schedule(() -> {
    
    
    System.out.println("任务1，执行时间：" + new Date());
    try {
    
     Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) {
    
     }
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
executor.schedule(() -> {
    
    
    System.out.println("任务2，执行时间：" + new Date());
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

3.Fork/Join

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的 cpu 密集型运算

所谓的任务拆分，是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。跟递归相关的一些计算，如归并排序、斐波那契数列、都可以用分治思想进行求解

Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运算效率

Fork/Join 默认会创建与 cpu 核心数大小相同的线程池

AQS 原理与锁

1.AQS 原理

全称是 AbstractQueuedSynchronizer，即抽象的队列式同步器，是除了 synchronized 关键字之外的锁机制，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架

AQS 的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态，如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中

CLH（Craig，Landin，and Hagersten）队列是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系

AQS 是将每一条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配

总结来说，AQS 就是基于 CLH 队列，用 volatile 修饰共享变量 state，线程通过CAS 去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒

tips：AQS 是自旋锁：在等待唤醒的时候，经常会使用自旋（while(!cas())）的方式，不停地尝试获取锁，直到被其他线程获取成功

AQS 定义了两种资源共享方式：

Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier

AQS底层使用了模板方法模式：

使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法

自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源 state 的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS 已经在底层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资，只有用到 condition 需要去实现它。
tryAcquire(int)：独占方式，尝试获取资源，成功则返回 true，失败则返回 false
tryRelease(int)：独占方式，尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false
tryAcquireShared(int)：共享方式，尝试获取资源，负数表示失败，0 表示成功，但没有剩余可用资源，正数表示成功，且有剩余资源
tryReleaseShared(int)：共享方式，尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回 true，否则返回 false

ReentrantLock 为例（可重入独占式锁）：state 初始化为 0，表示未锁定状态，A线程 lock() 时，会调用 tryAcquire() 独占锁并将 state + 1，之后其他线程再想 tryAcquire 的时候就会失败，直到 A 线程 unlock() 到 state=0 为止，其他线程才有机会获取该锁，A 释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state 累加），这就是可重入的概念

tips：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的

以 CountDownLatch 为例，任务分 N 个子线程去执行，state 就初始化为 N，N 个线程并行执行，每个线程执行完之后 countDown() 一次，state 就会 CAS 减一，当N 子线程全部执行完毕，state = 0，会 unpark() 主调用线程，主调用线程就会从 await() 函数返回，继续之后的动作

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可，但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如 ReentrantReadWriteLock 在 acquire() 和 acquireShared() 两种方式下，线程在等待队列中都是忽略中断的，acquireInterruptibly() 和 acquireSharedInterruptibly() 是支持响应中断的

2.自定义不可重入锁

首先需要定义同步器

final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    
    
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
    
    
        if (acquires == 1){
    
    
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
    
    
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    @Override
    protected boolean tryRelease(int acquires) {
    
    
        if(acquires == 1) {
    
    
            if(getState() == 0) {
    
    
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        return false;
    }
    protected Condition newCondition() {
    
    
        return new ConditionObject();
    }
    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
    
    
        return getState() == 1;
    }
}

自定义锁：有了自定义同步器，很容易复用 AQS ，实现一个功能完备的自定义锁

class MyLock implements Lock {
    
    
    static MySync sync = new MySync();
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列
    public void lock() {
    
    
        sync.acquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    
    
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
    @Override
    // 尝试一次，不成功返回，不进入队列
    public boolean tryLock() {
    
    
        return sync.tryAcquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    
    
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
    @Override
    // 释放锁
    public void unlock() {
    
    
        sync.release(1);
    }
    @Override
    // 生成条件变量
    public Condition newCondition() {
    
    
        return sync.newCondition();
    }
}

在这里插入图片描述

3.ReentrantLock 原理

非公平锁实现原理

加锁解锁流程:先从构造器开始看，默认为非公平锁实现，NonfairSync 继承自 AQS

public ReentrantLock() {
    
    
	sync = new NonfairSync();
}

第一个竞争出现时

在这里插入图片描述

Thread-1 执行了

CAS 尝试将 state 由 0 改为 1，结果失败
进入 tryAcquire 逻辑，这时 state 已经是1，结果仍然失败
接下来进入 addWaiter 逻辑，构造 Node 队列
图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态，其中 0 为默认正常状态
Node 的创建是懒惰的
其中第一个 Node 称为 Dummy（哑元）或哨兵，用来占位，并不关联线程

在这里插入图片描述

当前线程进入 acquireQueued 逻辑

acquireQueued 会在一个死循环中不断尝试获得锁，失败后进入 park 阻塞
如果自己是紧邻着 head（排第二位），那么再次 tryAcquire 尝试获取锁，当然这时 state 仍为 1，失败
进入 shouldParkAfterFailedAcquire 逻辑，将前驱 node，即 head 的 waitStatus 改为 -1，这次返回 false

在这里插入图片描述

shouldParkAfterFailedAcquire 执行完毕回到 acquireQueued ，再次 tryAcquire 尝试获取锁，当然这时 state 仍为 1，失败
当再次进入 shouldParkAfterFailedAcquire 时，这时因为其前驱 node 的 waitStatus 已经是 -1，这次返回 true
进入 parkAndCheckInterrupt， Thread-1 park（灰色表示）

在这里插入图片描述

再次有多个线程经历上述过程竞争失败，变成这个样子

在这里插入图片描述
Thread-0 释放锁，进入 tryRelease 流程，如果成功

设置 exclusiveOwnerThread 为 null
state = 0

在这里插入图片描述

当前队列不为 null，并且 head 的 waitStatus = -1，进入 unparkSuccessor 流程
找到队列中离 head 最近的一个 Node（没取消的），unpark 恢复其运行，本例中即为 Thread-1
回到 Thread-1 的 acquireQueued 流程

在这里插入图片描述

如果加锁成功（没有竞争），会设置

exclusiveOwnerThread 为 Thread-1，state = 1
head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node，该 Node 清空 Thread
原本的 head 因为从链表断开，而可被垃圾回收
如果这时候有其它线程来竞争（非公平的体现），例如这时有 Thread-4 来了

在这里插入图片描述

如果不巧又被 Thread-4 占了先

Thread-4 被设置为 exclusiveOwnerThread，state = 1
Thread-1 再次进入 acquireQueued 流程，获取锁失败，重新进入 park 阻塞

加锁源码

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    // 加锁实现
    final void lock() {
    
    
        // 首先用 cas 尝试（仅尝试一次）将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示获得了独占锁
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 如果尝试失败，进入 ㈠
            acquire(1);
    }

    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
    
    
        // ㈡ tryAcquire 
        if (
                !tryAcquire(arg) &&
                        // 当 tryAcquire 返回为 false 时, 先调用 addWaiter ㈣, 接着 acquireQueued ㈤
                        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
    
    
            selfInterrupt();
        }
    }

    // ㈡ 进入 ㈢
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    
    
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }

    // ㈢ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    
    
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果还没有获得锁
        if (c == 0) {
    
    
            // 尝试用 cas 获得, 这里体现了非公平性: 不去检查 AQS 队列
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
    
    
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    
    
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 获取失败, 回到调用处
        return false;
    }

    // ㈣ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node addWaiter(Node mode) {
    
    
        // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 如果 tail 不为 null, cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
    
    
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
    
    
                // 双向链表
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 尝试将 Node 加入 AQS, 进入 ㈥
        enq(node);
        return node;
    }

    // ㈥ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node enq(final Node node) {
    
    
        for (;;) {
    
    
            Node t = tail;
            if (t == null) {
    
    
                // 还没有, 设置 head 为哨兵节点（不对应线程，状态为 0）
                if (compareAndSetHead(new Node())) {
    
    
                    tail = head;
                }
            } else {
    
    
                // cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
    
    
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

    // ㈤ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    
    
        boolean failed = true;
        try {
    
    
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
    
    
                final Node p = node.predecessor();
                // 上一个节点是 head, 表示轮到自己（当前线程对应的 node）了, 尝试获取
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    
    
                    // 获取成功, 设置自己（当前线程对应的 node）为 head
                    setHead(node);
                    // 上一个节点 help GC
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 返回中断标记 false
                    return interrupted;
                }
                if (
                    // 判断是否应当 park, 进入 ㈦
                        shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                                // park 等待, 此时 Node 的状态被置为 Node.SIGNAL ㈧
                                parkAndCheckInterrupt()
                ) {
    
    
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
    
    
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    // ㈦ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    
    
        // 获取上一个节点的状态
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL) {
    
    
            // 上一个节点都在阻塞, 那么自己也阻塞好了
            return true;
        }
        // > 0 表示取消状态
        if (ws > 0) {
    
    
            // 上一个节点取消, 那么重构删除前面所有取消的节点, 返回到外层循环重试
            do {
    
    
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
    
    
            // 这次还没有阻塞
            // 但下次如果重试不成功, 则需要阻塞，这时需要设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

    // ㈧ 阻塞当前线程
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    
    
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
}

tips：是否需要 unpark 是由当前节点的前驱节点的 waitStatus == Node.SIGNAL 来决定，而不是本节点的 waitStatus 决定

解锁源码

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    // 解锁实现
    public void unlock() {
    
    
        sync.release(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean release(int arg) {
    
    
        // 尝试释放锁, 进入 ㈠
        if (tryRelease(arg)) {
    
    
            // 队列头节点 unpark
            Node h = head;
            if (
                // 队列不为 null
                    h != null &&
                            // waitStatus == Node.SIGNAL 才需要 unpark
                            h.waitStatus != 0
            ) {
    
    
                // unpark AQS 中等待的线程, 进入 ㈡
                unparkSuccessor(h);
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    // ㈠ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
    
    
        // state--
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
    
    
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

    // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void unparkSuccessor(Node node) {
    
    
        // 如果状态为 Node.SIGNAL 尝试重置状态为 0
        // 不成功也可以
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) {
    
    
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        }
        // 找到需要 unpark 的节点, 但本节点从 AQS 队列中脱离, 是由唤醒节点完成的
        Node s = node.next;
        // 不考虑已取消的节点, 从 AQS 队列从后至前找到队列最前面需要 unpark 的节点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
    
    
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
}

可重入原理

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    // ...

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    
    
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
    
    
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
    
    
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    
    
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
    
    
        // state-- 
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
    
    
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

可打断原理

不可打断模式：在此模式下，即使它被打断，仍会驻留在 AQS 队列中，一直要等到获得锁后方能得知自己被打断了

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    // ...

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    
    
        // 如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
        LockSupport.park(this);
        // interrupted 会清除打断标记
        return Thread.interrupted();
    }

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    
    
        boolean failed = true;
        try {
    
    
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
    
    
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    
    
                    setHead(node);
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 还是需要获得锁后, 才能返回打断状态
                    return interrupted;
                }
                if (
                        shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                                parkAndCheckInterrupt()
                ) {
    
    
                    // 如果是因为 interrupt 被唤醒, 返回打断状态为 true
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
    
    
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    public final void acquire(int arg) {
    
    
        if (
                !tryAcquire(arg) &&
                        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
    
    
            // 如果打断状态为 true
            selfInterrupt();
        }
    }

    static void selfInterrupt() {
    
    
        // 重新产生一次中断
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

可打断模式

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    
    
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 如果没有获得到锁, 进入 ㈠
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

    // ㈠ 可打断的获取锁流程
    private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    
    
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
    
    
            for (;;) {
    
    
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
    
    
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt()) {
    
    
                    // 在 park 过程中如果被 interrupt 会进入此
                    // 这时候抛出异常, 而不会再次进入 for (;;)
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } finally {
    
    
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
}

公平锁实现原理

static final class FairSync extends Sync {
    
    
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    final void lock() {
    
    
        acquire(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
    
    
        if (
                !tryAcquire(arg) &&
                        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
    
    
            selfInterrupt();
        }
    }
    // 与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法的实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    
    
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
    
    
            // 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有才去竞争
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
    
    
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    
    
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    
    
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        // h != t 时表示队列中有 Node
        return h != t &&
                (
                        // (s = h.next) == null 表示队列中还有没有老二
                        (s = h.next) == null ||
                                // 或者队列中老二线程不是此线程
                                s.thread != Thread.currentThread()
                );
    }
}

条件变量实现原理

每个条件变量其实就对应着一个等待队列，其实现类是 ConditionObject

await 流程

开始 Thread-0 持有锁，调用 await，进入 ConditionObject 的 addConditionWaiter 流程
创建新的 Node 状态为 -2（Node.CONDITION），关联 Thread-0，加入等待队列尾部

在这里插入图片描述
接下来进入 AQS 的 fullyRelease 流程，释放同步器上的锁

在这里插入图片描述

unpark AQS 队列中的下一个节点，竞争锁，假设没有其他竞争线程，那么 Thread-1 竞争成功

在这里插入图片描述
park 阻塞 Thread-0

在这里插入图片描述
signal 流程

假设 Thread-1 要来唤醒 Thread-0

在这里插入图片描述
进入 ConditionObject 的 doSignal 流程，取得等待队列中第一个 Node，即 Thread-0 所在 Node

在这里插入图片描述

执行 transferForSignal 流程，将该 Node 加入 AQS 队列尾部，将 Thread-0 的 waitStatus 改为 0，Thread-3 的 waitStatus 改为 -1

在这里插入图片描述

Thread-1 释放锁，进入 unlock 流程

源码

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    
    
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;

    // 第一个等待节点
    private transient Node firstWaiter;

    // 最后一个等待节点
    private transient Node lastWaiter;
    public ConditionObject() {
    
     }
    // ㈠ 添加一个 Node 至等待队列
    private Node addConditionWaiter() {
    
    
        Node t = lastWaiter;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
    
    
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        // 创建一个关联当前线程的新 Node, 添加至队列尾部
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
    // 唤醒 - 将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列
    private void doSignal(Node first) {
    
    
        do {
    
    
            // 已经是尾节点了
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
    
    
                lastWaiter = null;
            }
            first.nextWaiter = null;
        } while (
            // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列, 不成功且还有节点则继续循环 ㈢
                !transferForSignal(first) &&
                        // 队列还有节点
                        (first = firstWaiter) != null
        );
    }

    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈢ 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功
    final boolean transferForSignal(Node node) {
    
    
        // 如果状态已经不是 Node.CONDITION, 说明被取消了
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        // 加入 AQS 队列尾部
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (
            // 上一个节点被取消
                ws > 0 ||
                        // 上一个节点不能设置状态为 Node.SIGNAL
                        !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)
        ) {
    
    
            // unpark 取消阻塞, 让线程重新同步状态
            LockSupport.unpark(node.thread);
        }
        return true;
    }
    // 全部唤醒 - 等待队列的所有节点转移至 AQS 队列
    private void doSignalAll(Node first) {
    
    
        lastWaiter = firstWaiter = null;
        do {
    
    
            Node next = first.nextWaiter;
            first.nextWaiter = null;
            transferForSignal(first);
            first = next;
        } while (first != null);
    }

    // ㈡
    private void unlinkCancelledWaiters() {
    
    
        // ...
    }
    // 唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignal 内无需考虑加锁
    public final void signal() {
    
    
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }
    // 全部唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignalAll 内无需考虑加锁
    public final void signalAll() {
    
    
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignalAll(first);
    }
    // 不可打断等待 - 直到被唤醒
    public final void awaitUninterruptibly() {
    
    
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁, 见 ㈣
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean interrupted = false;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
    
    
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 仅设置打断状态
            if (Thread.interrupted())
                interrupted = true;
        }
        // 唤醒后, 尝试竞争锁, 如果失败进入 AQS 队列
        if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
            selfInterrupt();
    }
    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈣ 因为某线程可能重入，需要将 state 全部释放
    final int fullyRelease(Node node) {
    
    
        boolean failed = true;
        try {
    
    
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
    
    
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
    
    
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
    
    
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
    // 打断模式 - 在退出等待时重新设置打断状态
    private static final int REINTERRUPT = 1;
    // 打断模式 - 在退出等待时抛出异常
    private static final int THROW_IE = -1;
    // 判断打断模式
    private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    
    
        return Thread.interrupted() ?
                (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
                0;
    }
    // ㈤ 应用打断模式
    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
            throws InterruptedException {
    
    
        if (interruptMode == THROW_IE)
            throw new InterruptedException();
        else if (interruptMode == REINTERRUPT)
            selfInterrupt();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断
    public final void await() throws InterruptedException {
    
    
        if (Thread.interrupted()) {
    
    
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
    
    
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时
    public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    
    
        if (Thread.interrupted()) {
    
    
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        // 获得最后期限
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
    
    
            // 已超时, 退出等待队列
            if (nanosTimeout <= 0L) {
    
    
                transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            // park 阻塞一定时间, spinForTimeoutThreshold 为 1000 ns
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return deadline - System.nanoTime();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
    
    
        // ...
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    
    
        // ...
    }
    // 工具方法 省略 ...
}

4.读写锁（ReentrantReadWriteLock）

当读操作远远高于写操作时，这时候使用读写锁让读-读可以并发，提高性能

private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
private ReentrantReadWriteLock.ReadLock r = rw.readLock();
private ReentrantReadWriteLock.WriteLock w = rw.writeLock();

注意事项

读锁不支持条件变量
重入时升级不支持：即持有读锁的情况下去获取写锁，会导致获取写锁永久等待
重入时降级支持：即持有写锁的情况下去获取读锁

读写锁原理

读写锁用的是同一个 Sycn 同步器，因此等待队列、state 等也是同一个，上锁流程与 ReentrantLock 加锁相比没有特殊之处，不同是写锁状态占了 state 的低 16 位，而读锁使用的是 state 的高 16 位

StampedLock

该类自 JDK 8 加入，是为了进一步优化读性能，它的特点是在使用读锁、写锁时都必须配合戳使用

加解读锁

long stamp = lock.readLock();
lock.unlockRead(stamp);

加解写锁

long stamp = lock.writeLock();
lock.unlockWrite(stamp);

乐观读：StampedLock 支持 tryOptimisticRead() 方法（乐观读），读取完毕后需要做一次戳校验如果校验通过，表示这期间确实没有写操作，数据可以安全使用，如果校验没通过，需要重新获取读锁，保证数据安全

5.Semaphore

Semaphore 有点像一个停车场，permits 就好像停车位数量，当线程获得了 permits 就像是获得了停车位，然后停车场显示空余车位减一

在这里插入图片描述

假设其中 Thread-1，Thread-2，Thread-4 cas 竞争成功，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败，进入 AQS 队列 park 阻塞

在这里插入图片描述
源码

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
    NonfairSync(int permits) {
    
    
        // permits 即 state
        super(permits);
    }

    // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void acquire() throws InterruptedException {
    
    
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
    
    
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

    // 尝试获得共享锁
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    
    
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    
    
        for (;;) {
    
    
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (
                // 如果许可已经用完, 返回负数, 表示获取失败, 进入 doAcquireSharedInterruptibly
                    remaining < 0 ||
                            // 如果 cas 重试成功, 返回正数, 表示获取成功
                            compareAndSetState(available, remaining)
            ) {
    
    
                return remaining;
            }
        }
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    
    
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
    
    
            for (;;) {
    
    
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
    
    
                    // 再次尝试获取许可
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
    
    
                        // 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
                        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
                        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE 
                        // r 表示可用资源数, 为 0 则不会继续传播
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
    
    
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void release() {
    
    
        sync.releaseShared(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean releaseShared(int arg) {
    
    
        if (tryReleaseShared(arg)) {
    
    
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    
    
        for (;;) {
    
    
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }
}

6.CountdownLatch

用来进行线程同步协作，等待所有线程完成倒计时

其中构造参数用来初始化等待计数值，await() 用来等待计数归零，countDown() 用来让计数减一

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(4);
    service.submit(() -> {
    
    
        log.debug("begin...");
        sleep(1);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    });
    service.submit(() -> {
    
    
        log.debug("begin...");
        sleep(1.5);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    });
    service.submit(() -> {
    
    
        log.debug("begin...");
        sleep(2);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    });
    service.submit(()->{
    
    
        try {
    
    
            log.debug("waiting...");
            latch.await();
            log.debug("wait end...");
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

7.CyclicBarrier

循环栅栏，用来进行线程协作，等待线程满足某个计数。构造时设置计数个数，每个线程执行到某个需要同步的时刻调用 await() 方法进行等待，当等待的线程数满足计数个数时，继续执行

CyclicBarrier 与 CountDownLatch 的主要区别在于 CyclicBarrier 是可以重用的 CyclicBarrier 可以被比喻为人满发车

线程安全集合类

在这里插入图片描述

线程安全集合类可以分为三大类：

遗留的线程安全集合如 Hashtable ， Vector
使用 Collections 装饰的线程安全集合，如：
Collections.synchronizedCollection
Collections.synchronizedList
Collections.synchronizedMap
Collections.synchronizedSet
Collections.synchronizedNavigableMap
Collections.synchronizedNavigableSet
Collections.synchronizedSortedMap
Collections.synchronizedSortedSet
java.util.concurrent.*

java.util.concurrent.* 下的线程安全集合类是重点，可以发现它们有规律，里面包含三类关键词：Blocking、CopyOnWrite、Concurrent

Blocking 大部分实现基于锁，并提供用来阻塞的方法
CopyOnWrite 之类容器修改开销相对较重
Concurrent 类型的容器：内部很多操作使用 cas 优化，一般可以提供较高吞吐量

Concurrent 具有弱一致性

遍历时弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历，这时内容是旧的
求大小弱一致性，size 操作未必是 100% 准确
读取弱一致性

1.ConcurrentHashMap

Hashtable 对比 ConcurrentHashMap

Hashtable 与 ConcurrentHashMap 都是线程安全的 Map 集合
Hashtable 并发度低，整个 Hashtable 对应一把锁，同一时刻，只能有一个线程操作它
ConcurrentHashMap 并发度高，整个 ConcurrentHashMap 对应多把锁，只要线程访问的是不同锁，那么不会冲突

ConcurrentHashMap 1.7

数据结构：Segment(大数组) + HashEntry(小数组) + 链表，每个 Segment 对应一把锁，如果多个线程访问不同的 Segment，则不会冲突
并发度：Segment 数组大小即并发度，决定了同一时刻最多能有多少个线程并发访问。Segment 数组不能扩容，意味着并发度在 ConcurrentHashMap 创建时就固定了
索引计算
- 假设大数组长度是 $2^m$ ，key 在大数组内的索引是 key 的二次 hash 值的高 m 位
- 假设小数组长度是 $2^n$ ，key 在小数组内的索引是 key 的二次 hash 值的低 n 位
扩容：每个小数组的扩容相对独立，小数组在超过扩容因子时会触发扩容，每次扩容翻倍
Segment[0] 原型：首次创建其它小数组时，会以此原型为依据，数组长度，扩容因子都会以原型为准

ConcurrentHashMap 1.8

数据结构：Node 数组 + 链表或红黑树，数组的每个头节点作为锁，如果多个线程访问的头节点不同，则不会冲突。首次生成头节点时如果发生竞争，利用 cas 而非 syncronized，进一步提升性能
并发度：Node 数组有多大，并发度就有多大，与 1.7 不同，Node 数组可以扩容
扩容条件：Node 数组满 3/4 时就会扩容
扩容单位：以链表为单位从后向前迁移链表，迁移完成的将旧数组头节点替换为 ForwardingNode
扩容时并发 get
- 根据是否为 ForwardingNode 来决定是在新数组查找还是在旧数组查找，不会阻塞
- 如果链表长度超过 1，则需要对节点进行复制（创建新节点），怕的是节点迁移后 next 指针改变
- 如果链表最后几个元素扩容后索引不变，则节点无需复制
扩容时并发 put
- 如果 put 的线程与扩容线程操作的链表是同一个，put 线程会阻塞
- 如果 put 的线程操作的链表还未迁移完成，即头节点不是 ForwardingNode，则可以并发执行
- 如果 put 的线程操作的链表已经迁移完成，即头结点是 ForwardingNode，则可以协助扩容
与 1.7 相比是懒惰初始化
capacity 代表预估的元素个数，capacity / factory 来计算出初始数组大小，需要贴近 $2^n$
loadFactor 只在计算初始数组大小时被使用，之后扩容固定为 3/4
超过树化阈值时的扩容问题，如果容量已经是 64，直接树化，否则在原来容量基础上做 3 轮扩容

JDK1.7 与 JDK1.8 中ConcurrentHashMap 的区别

数据结构：取消了 Segment 分段锁的数据结构，取而代之的是数组+链表+红黑树的结构
保证线程安全机制：JDK1.7 采用 Segment 的分段锁机制实现线程安全，其中 Segment 继承自 ReentrantLock 。JDK1.8 采用CAS+synchronized保证线程安全
锁的粒度：JDK1.7 是对需要进行数据操作的 Segment 加锁，JDK1.8 调整为对每个数组元素加锁（Node）
链表转化为红黑树：定位节点的 hash 算法简化会带来弊端，hash 冲突加剧，因此在链表节点数量大于 8（且数据总量大于等于 64）时，会将链表转化为红黑树进行存储
查询时间复杂度：从 JDK1.7的遍历链表O(n)， JDK1.8 变成遍历红黑树O(logN)

ConcurrentHashMap 和 Hashtable的区别

ConcurrentHashMap 的效率要高于 Hashtable，因为 Hashtable 给整个哈希表加了一把大锁从而实现线程安全。而ConcurrentHashMap 的锁粒度更低，在 JDK1.7 中采用分段锁实现线程安全，在 JDK1.8 中采用CAS+synchronized实现线程安全

2.LinkedBlockingQueue

高明之处在于用了两把锁和 dummy 节点

用一把锁，同一时刻，最多只允许有一个线程（生产者或消费者，二选一）执行

用两把锁，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行

消费者与消费者线程仍然串行
生产者与生产者线程仍然串行

线程安全分析

当节点总数大于 2 时（包括 dummy 节点），putLock 保证的是 last 节点的线程安全，takeLock 保证的是 head 节点的线程安全。两把锁保证了入队和出队没有竞争
当节点总数等于 2 时（即一个 dummy 节点，一个正常节点）这时候，仍然是两把锁锁两个对象，不会竞争
当节点总数等于 1 时（就一个 dummy 节点）这时 take 线程会被 notEmpty 条件阻塞，有竞争，会阻塞

// 用于 put(阻塞) offer(非阻塞)
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 用户 take(阻塞) poll(非阻塞)
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

put 操作

public void put(E e) throws InterruptedException {
    
    
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    // count 用来维护元素计数
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
    
    
        // 满了等待
        while (count.get() == capacity) {
    
    
            // 倒过来读就好: 等待 notFull
            notFull.await();
        }
        // 有空位, 入队且计数加一
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();
        // 除了自己 put 以外, 队列还有空位, 由自己叫醒其他 put 线程
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
    
    
        putLock.unlock();
    }
    // 如果队列中有一个元素, 叫醒 take 线程
    if (c == 0)
        // 这里调用的是 notEmpty.signal() 而不是 notEmpty.signalAll() 是为了减少竞争
        signalNotEmpty();
}

take 操作

public E take() throws InterruptedException {
    
    
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
    
    
        while (count.get() == 0) {
    
    
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
    
    
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果队列中只有一个空位时, 叫醒 put 线程
    // 如果有多个线程进行出队, 第一个线程满足 c == capacity, 但后续线程 c < capacity
    if (c == capacity)
        // 这里调用的是 notFull.signal() 而不是 notFull.signalAll() 是为了减少竞争
        signalNotFull()
    return x; 
}

3.ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 的设计与 LinkedBlockingQueue 非常像，也是

两把锁，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行
dummy 节点的引入让两把锁将来锁住的是不同对象，避免竞争
只是这锁使用了 cas 来实现

4.CopyOnWriteArrayList

底层实现采用了写入时拷贝的思想，增删改操作会将底层数组拷贝一份，更
改操作在新数组上执行，这时不影响其它线程的并发读，读写分离，适合读多写少的场景

public boolean add(E e) {
    
    
    synchronized (lock) {
    
    
        // 获取旧的数组
        Object[] es = getArray();
        int len = es.length;
        // 拷贝新的数组（这里是比较耗时的操作，但不影响其它读线程）
        es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
        // 添加新元素
        es[len] = e;
        // 替换旧的数组
        setArray(es);
        return true;
    }
}

弱一致性

在这里插入图片描述

并发设计模式

1.Immutability

解决并发问题，其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作，而没有写操作。这个办法如此重要，以至于被上升到了一种解决并发问题的设计模式：不变性（Immutability）模式

所谓不变性，简单来讲，就是对象一旦被创建之后，状态就不再发生变化。换句话说，就是变量一旦被赋值，就不允许修改了（没有写操作），没有修改操作，也就是保持了不变性

快速实现具备不可变性的类：将一个类所有的属性都设置成 final 的，并且只允许存在只读方法，那么这个类基本上就具备不可变性了。更严格的做法是这个类本身也是 final 的，也就是不允许继承

利用享元模式避免创建重复对象：利用享元模式可以减少创建对象的数量，从而减少内存占用。Java 语言里面 Long、Integer、Short、Byte 等这些基本数据类型的包装类都用到了享元模式

2.ThreadLocal

在并发场景中使用一个线程不安全的工具类，最简单的方案就是避免共享。避免共享有两种方案，一种方案是将这个工具类作为局部变量使用，另外一种方案就是线程本地存储模式

Java 语言提供的线程本地存储（ThreadLocal）可以做到避免共享，当某些数据是以线程为作用域并且不同线程具有不同的数据副本或者某些数据需要在同一个线程不同方法间传递，就可以考虑采用 ThreadLocal

底层结构

在这里插入图片描述

class ThreadLocal<T>{
    
    
    public T get() {
    
    
        //首先获取线程持有的
        //ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = Thread.currentThread().threadLocals;
        //在ThreadLocalMap中
        //查找变量
        Entry e = map.getEntry(this);
        return e.value;
    }
    static class ThreadLocalMap{
    
    
        //内部是数组而不是Map
        Entry[] table;
        //根据ThreadLocal查找Entry
        Entry getEntry(ThreadLocal key){
    
    
            //省略查找逻辑
        }
        //Entry定义
        static class Entry extends
                WeakReference<ThreadLocal>{
    
    
            Object value;
        }
    }
}

ThreadLocal 与内存泄露

原因就出在线程池中线程的存活时间太长，往往都是和程序同生共死的，这就意味着 Thread 持有的 ThreadLocalMap 一直都不会被回收，再加上 ThreadLocalMap 中的 Entry 对 ThreadLocal 是弱引用（WeakReference），所以只要 ThreadLocal 结束了自己的生命周期是可以被回收掉的。但是 Entry 中的 Value 却是被 Entry 强引用的，所以即便 Value 的生命周期结束了，Value 也是无法被回收的，从而导致内存泄露

解决方案：可以使用 try{} finally{} 手动释放资源

InheritableThreadLocal 与继承性

也可以理解为共享性，使用 InheritableThreadLocal 可以实现多个线程访问 ThreadLocal 的值，在主线程中创建一个InheritableThreadLocal的实例，然后在子线程中得到这个InheritableThreadLocal 实例设置的值

不过不建议在线程池中使用 InheritableThreadLocal，不仅仅是因为它具有 ThreadLocal 相同的缺点——可能导致内存泄露，更重要的原因是：线程池中线程的创建是动态的，很容易导致继承关系错乱，如果业务逻辑依赖 InheritableThreadLocal，那么很可能导致业务逻辑计算错误，而这个错误往往比内存泄露更要命

应用

Spring 采用 Threadlocal 的方式，来保证单个线程中的数据库操作使用的是同一个数据库连接，同时，采用这种方式可以使业务层使用事务时不需要感知并管理 connection 对象，通过传播级别，巧妙地管理多个事务配置之间的切换，挂起和恢复

ThreadLocal 实例实际上也是被其创建的类持有（更顶端应该是被线程持有），而 ThreadLocal 的值其实也是被线程实例持有，它们都是位于堆上，只是通过一些技巧将可见性修改成了线程可见

3.两阶段终止

在一个线程 T1 中如何优雅终止线程 T2？这里的优雅指的是给 T2 一个料理后事的机会

错误思路

使用线程对象的 stop() 方法停止线程：stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁，其它线程将永远无法获取锁
使用 System.exit(int) 方法停止线程，目的仅是停止一个线程，但这种做法会让整个程序都停止

正确思路：两阶段终止模式

1.利用 isInterrupted，interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，还是正常运行

class TPTInterrupt {
    
    
    private Thread thread;
    public void start(){
    
    
        thread = new Thread(() -> {
    
    
            while(true) {
    
    
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()) {
    
    
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
    
    
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    current.interrupt();
                }
                // 执行监控操作 
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }
    public void stop() {
    
    
        thread.interrupt();
    }
}

2.利用停止标记

// 停止标记用 volatile 是为了保证该变量在多个线程之间的可见性
// 在例子中，即主线程把它修改为 true 对 t1 线程可见
class TPTVolatile {
    
    
    private Thread thread;
    private volatile boolean stop = false;
    public void start(){
    
    
        thread = new Thread(() -> {
    
    
            while(true) {
    
    
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(stop) {
    
    
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
    
    
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                }
                // 执行监控操作
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }
    public void stop() {
    
    
        stop = true;
        thread.interrupt();
    }
}

4.保护性暂停

即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果

要点

有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一个 GuardedObject
如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者/消费者）
JDK 中，join 的实现、Future 的实现，采用的就是此模式
因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式

在这里插入图片描述

class GuardedObject {
    
    
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
    public Object get() {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            // 条件不满足则等待
            while (response == null) {
    
    
                try {
    
    
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                } }
            return response; }
    }
    public void complete(Object response) {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

带超时版 GuardedObject

class GuardedObjectV2 {
    
    
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
    public Object get(long millis) {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            // 1) 记录最初时间
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 2) 已经经历的时间
            long timePassed = 0;
            while (response == null) {
    
    
                // 4) 假设 millis 是 1000，结果在 400 时唤醒了，那么还有 600 要等
                long waitTime = millis - timePassed;
                log.debug("waitTime: {}", waitTime);
                if (waitTime <= 0) {
    
    
                    log.debug("break...");
                    break; }
                try {
    
    
                    lock.wait(waitTime);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
                // 3) 如果提前被唤醒，这时已经经历的时间假设为 400
                timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
                log.debug("timePassed: {}, object is null {}",
                        timePassed, response == null);
            }
            return response; }
    }
    public void complete(Object response) {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            log.debug("notify...");
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

5.顺序控制

交替输出案例：线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc

wait notify 版

class SyncWaitNotify {
    
    
    private int flag;
    private int loopNumber;
    public SyncWaitNotify(int flag, int loopNumber) {
    
    
        this.flag = flag;
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
    public void print(int waitFlag, int nextFlag, String str) {
    
    
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
    
    
            synchronized (this) {
    
    
                while (this.flag != waitFlag) {
    
    
                    try {
    
    
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
    
    
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.print(str);
                flag = nextFlag;
                this.notifyAll();
            }
        }
    }
}
SyncWaitNotify syncWaitNotify = new SyncWaitNotify(1, 5);
new Thread(() -> {
    
    
        syncWaitNotify.print(1, 2, "a");
    }).start();
new Thread(() -> {
    
    
        syncWaitNotify.print(2, 3, "b");
    }).start();
new Thread(() -> {
    
    
        syncWaitNotify.print(3, 1, "c");
    }).start();

Lock 条件变量版

class AwaitSignal extends ReentrantLock {
    
    
    public void start(Condition first) {
    
    
        this.lock();
        try {
    
    
            log.debug("start");
            first.signal();
        } finally {
    
    
            this.unlock();
        }
    }
    public void print(String str, Condition current, Condition next) {
    
    
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
    
    
            this.lock();
            try {
    
    
                current.await();
                log.debug(str);
                next.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            } finally {
    
    
                this.unlock();
            }
        }
    }
    // 循环次数
    private int loopNumber;
    public AwaitSignal(int loopNumber) {
    
    
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
}
AwaitSignal as = new AwaitSignal(5);
Condition aWaitSet = as.newCondition();
Condition bWaitSet = as.newCondition();
Condition cWaitSet = as.newCondition();
new Thread(() -> {
    
    
        as.print("a", aWaitSet, bWaitSet);
    }).start();
new Thread(() -> {
    
    
        as.print("b", bWaitSet, cWaitSet);
    }).start();
new Thread(() -> {
    
    
        as.print("c", cWaitSet, aWaitSet);
    }).start();
as.start(aWaitSet);

Park Unpark 版

class SyncPark {
    
    
    private int loopNumber;
    private Thread[] threads;
    public SyncPark(int loopNumber) {
    
    
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
    public void setThreads(Thread... threads) {
    
    
        this.threads = threads;
    }
    public void print(String str) {
    
    
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
    
    
            LockSupport.park();
            System.out.print(str);
            LockSupport.unpark(nextThread());
        }
    }
    private Thread nextThread() {
    
    
        Thread current = Thread.currentThread();
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
    
    
            if(threads[i] == current) {
    
    
                index = i;
                break;
            }
        }
        if(index < threads.length - 1) {
    
    
            return threads[index+1];
        } else {
    
    
            return threads[0];
        }
    }
    public void start() {
    
    
        for (Thread thread : threads) {
    
    
            thread.start();
        }
        LockSupport.unpark(threads[0]);
    }
}

SyncPark syncPark = new SyncPark(5);
Thread t1 = new Thread(() -> {
    
    
    syncPark.print("a");
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
    
    
    syncPark.print("b");
});
Thread t3 = new Thread(() -> {
    
    
    syncPark.print("c\n");
});
syncPark.setThreads(t1, t2, t3);
syncPark.start();

6.Balking

Balking （犹豫）模式用在一个线程发现另一个线程或本线程已经做了某一件相同的事，那么本线程就无需再做了，直接结束返回

它经常用来实现线程安全的单例

public class MonitorService {
    
    
    // 用来表示是否已经有线程已经在执行启动了
    private volatile boolean starting;
    public void start() {
    
    
        log.info("尝试启动监控线程...");
        synchronized (this) {
    
    
            if (starting) {
    
    
                return;
            }
            starting = true;
        }

        // 真正启动监控线程...
    }
}

7.工作线程

让有限的工作线程（Worker Thread）来轮流异步处理无限多的任务。也可以将其归类为分工模式，它的典型实现就是线程池，也体现了经典设计模式中的享元模式

固定大小线程池会有饥饿现象，不同的任务类型，采用不同的线程池可以避免饥饿

创建多少线程合适

过小会导致程序不能充分地利用系统资源、容易导致饥饿
过大会导致更多的线程上下文切换，占用更多内存

CPU 密集型运算

通常采用 cpu 核数 + 1 能够实现最优的 CPU 利用率，+1 是保证当线程由于页缺失故障（操作系统）或其它原因导致暂停时，额外的这个线程就能顶上去，保证 CPU 时钟周期不被浪费

I/O 密集型运算

CPU 不总是处于繁忙状态，例如，当执行业务计算时，这时候会使用 CPU 资源，但当执行 I/O 操作时、远程RPC 调用时，包括进行数据库操作时，这时候 CPU 就闲下来了，可以利用多线程提高它的利用率

经验公式如下：

线程数 = 核数 * 期望 CPU 利用率 * 总时间(CPU计算时间+等待时间) / CPU 计算时间

例如 4 核 CPU 计算时间是 50% ，其它等待时间是 50%，期望 cpu 被 100% 利用，套用公式 4 * 100% * 100% / 50% = 8

6.生产者/消费者

与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式

在这里插入图片描述

java并发编程：管程、内存模型、无锁并发、线程池、AQS原理与锁、线程安全集合类、并发设计模式

文章目录

基础

1.进程与线程

2.并发与并行

3.同步与异步

4.主线程与守护线程

5.Thread 与 Runnable

6.线程方法

7.线程状态

管程

1.共享问题、临界区、竞态条件

2.Monitor

3.synchronized

4.wait & notify

5.Park & Unpark

6.活跃性

7.ReentrantLock

8.lock vs synchronized

内存模型

1.线程切换带来的原子性

2.缓存导致的可见性

3.编译优化带来的有序性

无锁并发

1.CAS 与 volatile

2.原子整数

3.原子引用

4.原子数组

5.字段更新器

6.原子累加器

7.UnSafe

线程池

1.自定义线程池

2.ThreadPoolExecutor

3.Fork/Join

AQS 原理与锁

1.AQS 原理

2.自定义不可重入锁

3.ReentrantLock 原理

4.读写锁（ReentrantReadWriteLock）

5.Semaphore

6.CountdownLatch

7.CyclicBarrier

线程安全集合类

1.ConcurrentHashMap

2.LinkedBlockingQueue

3.ConcurrentLinkedQueue

4.CopyOnWriteArrayList

并发设计模式

1.Immutability

2.ThreadLocal

3.两阶段终止

4.保护性暂停

5.顺序控制

6.Balking

7.工作线程

6.生产者/消费者

参考资料

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