老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-11-25 10:10 129阅读 0赞

Java架构师阿谷 2020-08-06 09:45:10

为了更好地支持并发程序，JDK内部提供了大量实用的API和框架。

# **同步控制** #

说到同步控制，最先想到的便是synchronized关键字，这是一种最简单的控制方法， 它决定了一个线程是否可以访问临界区资源。配合wait()方法和notify()方法可以达到线程等待和通知的作用。而同步控制的另一种方式便是使用*重入锁*。

**重入锁可以完全替代关键字synchronized**

*ReentrantLock使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK]

使用重入锁可以保护临界区资源 i，确保多线程对 i 操作的安全性。与synchronized相比，重入锁有显示的操作过程。开发人员必须手动指定何时加锁，何时释放锁。也正是因为这样，重入锁对逻辑控制的灵活性要远远优于关键字synchronized。但要注意的是，在退出临界区时，必须记得释放锁，否则其他线程就没有机会再访问临界区了。

# **中断响应** #

对于synchronized关键字来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就继续保持等待。而使用重入锁，那么就多了一种可能，那就是等待的线程可以中断，让它停止等待。这种中断机制是很有必要的，它对于处理死锁是有一定帮助的。

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 1]

上图是模拟一个死锁的状态，t1 线程开启后获得 lock1 锁，t2 线程开始后获得 lock2 锁，t1 线程等待 1 秒后想要获取 lock2 锁，t2 线程等待 1 秒后想要获取 lock1 锁，这样就会造成死锁。在第 58 行，我们通过 **t2.interrupt() 发出中断标识，**在第 35 行和 第 38 行**通过 isHeldByCurrentThread()来对中断进行响应，**就可以是 t1 线程获取到 lock2 锁，继续执行下去。最后真正完成工作的只有 t1，而 t2 线程则放弃其任务直接退出，释放资源。

*除了**等待外部通知**之外，要避免死锁还有一种方式就是**限时等待***

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 2]

上图中，**tryLock()方法接收两个参数，一个表示等待时长，一个表示计时单位。**在规定的等待时间中，如果还没得到锁，就会返回flase，如果成功获取锁就会返回true。这里设置了 3 秒等待时间，但是占用锁的线程持有锁的时间为 5 秒，因此第二个线程会请求锁失败。

tryLock()方法也可以不带参数直接运行，这种情况下，当前线程会尝试获得锁，如果锁并未被其他线程占用，则申请锁成功，并返回true；如果锁被其他线程占用，则当前锁不会进行等待，直接返回flase。

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 3]

# **公平锁** #

在大多数情况下，锁的申请都是非公平的。

非公平锁：A 线程请求到了 锁1，B 线程也来请求锁1，又来了一个 C 线程也来请求锁 1，这里虽然 B 线程比 C 线程早来一步请求，但是最终哪个线程请求到了锁1也是不一定的，以为是从线程等待队列中随机挑选一个。

公平锁：它会按照时间的先后顺序，保证先到者先得，后到者后得。它不会造成饥饿现象，只要你排队，最终还是可以拿到资源的。

如果我们**使用synchronized关键字进行锁控制，那么产生的锁就是非公平的，**而重入锁允许我们对其公平性进行设置。

public ReentrantLock(boolean fair){}

**当fair传入为true时，表示锁是公平的。**但是公平锁需要维护一个**有序队列**，实现成本会比较高，性能会比较低下。默认情况下，锁是非公平的。

*公平锁使用示例*：

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在公平锁的情况下，得到的输出顺序是依次执行的。

*非公平锁使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 5]

可以看出，根据系统的调度，一个线程会倾向于再次获取已经持有的锁，这种分配的方式是高效的，但是无公平性而言。

*ReentrantLock的几个重要方法*：

*  lock()：获得锁，如果锁被占用则等待
 *  **lockInterruptibly()：获得锁，但优先响应中断**
 *  tryLock()：尝试获得锁，如果成功则返回 true；否则返回 false；该方法不等待，立即返回
 *  tryLock(long time, TimeUnit unit)：在给定时间获得锁
 *  unlock()：释放锁

*重入锁的三个重要要素*：

*  **原子状态：原子状态使用CAS操作来存储当前锁的状态，判断锁是否已经被别的线程持有了**
 *  **等待队列：所有没有请求到锁的线程会进入等待队列等待。**待有线程释放锁后，系统就能从等待队列中唤醒一个线程继续工作
 *  **阻塞源语 park() 和 unpark()：用来挂起和恢复线程。**没有得到锁的线程将会被挂起。

# **重入锁的搭档（Condition）** #

Condition的作用和 wait()和notify()是大致相同的，但是**wait()和notify()是配合synchronized关键字使用的，而condition是和重入锁相关联的。**

*Condition 接口提供的基本方法*：

void await() throws InterruptedException;   //使当前线程等待，同时释放锁。可以等待的时候响应中断
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //等待指定时间
    void awaitUninterruptibly();    //与 await 相同，但是等待的时候不会响应中断
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();  //唤醒一个等待中的线程
    void signalAll(); //唤醒所有等待中的线程

*Condition 使用示例*：

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*注意*：第30行我们需要释放锁，让 A 线程重新获取锁，不然虽然已经唤醒了 A 线程，但是因为它没有重新获取到锁，也就无法真正执行。

*ArrayBlockingQueue 的部分实现代码*：

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# **信号量（Semaphore）** #

信号量是为多线程提供了更为强大的控制方法。从广义上来讲，信号量是对锁的扩展。**无论是内部锁synchronized还是重入锁ReentrantLock，一次都只允许一个线程访问一个资源，而信号量却可以指定多个线程，同时访问某一个资源。**

*Semaphore构造方法*：

public Semaphore(int permits)｛｝
    public Semaphore(int permits, boolean fair)｛｝ //第二个参数用来控制是否是公平的

*Semaphore主要方法*：

//尝试获取一个准入的许可，无法获得则会等待，直到有线程释放一个许可或线程被中断，这个方法可以响应中断
    public void acquire() throws InterruptedException {}  
    public void acquireUninterruptibly() {}  //与 acquire() 方法相同，但是不响应中断
    public boolean tryAcquire() {}  //尝试获得一个许可，如果成功则返回true，失败则返回false，不会进行等待
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) {} //等待指定的时间
    public void release() {}   //释放一个许可

*Semaphore使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 8]

**申请信号量使用acquire()方法操作，在离开时，务必使用replease()方法释放信号量。**

# **读写锁（ReadWriteLock）** #

读写分离锁可以有效地帮助减少锁竞争，提高系统性能。比如：A1、A2、A3三个线程进行写操作，B1、B2、B3三个线程进行读操作，如果使用重入锁或者内部锁，那么所有读之间，读与写之间，写之间都是串行操作。但是因为读操作并不会造成数据的完整性破坏，因此这种等待是不合理的。

*读写锁的访问约束情况*：

**读** **写** 读 非阻塞 阻塞 写 阻塞 阻塞

*读写锁使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 9]

**读线程完全是并行的，写会阻塞读**

# **倒计数器（CountDownLatch）** #

CountDownLatch是一个非常实用的多线程控制工具类。这个工具通常用来控制线程等待，**它可以让一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。**

*CountDownLatch构造器*：

public CountDownLatch(int count) {} //count 表示这个计数器的计数个数

*CountDownLatch使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 10]

这里计数数量为*6*，每当一个线程完成任务后，倒计数器就会减*1*，使用await()方法，要求主线程等待所有任务都执行完成后才能执行。

# **循环栅栏（CyclicBarrier）** #

CyclicBarrier是另外一种多线程并发控制工具。Cyclic 意为循环，也就是说**这个计数器可以反复使用，它比CountDownLatch更加强大一点，它可以接收一个参数作为*barrierAction*。*barrierAction*就是当计数器一次计数完成后，系统会执行的动作。**

*CyclicBarrier构造函数*：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {} //parties 表示计数总数

*CyclicBarrier使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 11]

# **线程复用：线程池** #

与进程相比，线程是一种轻量级的工具。但是再怎么轻量，创建和销毁依然要花费时间，如果为每一个小任务都创建一个线程，就很可能**出现创建和销毁线程的时间比线程真实工作的时间还要久**，当线程数量过大时，反而**会耗尽CPU和内存资源**。而且，**线程本身也是要占用内存空间**，大量的线程会抢占宝贵的内存资源，如果处理不当，会导致Out Of Memory

*为了避免系统频繁创建和销毁线程，我们可以让创建的线程复用*，那么这个时候**线程池**就出现了，有点类似数据库的**连接池**，当系统需要使用数据库时，并不是创建一个新的连接，而是从连接池中获取一个连接即可，使用数据库连接池可以维护一些数据库连接，让它们长期保持在一个激活状态。**线程池也是类似的概念**。

JDK中提供了一套Executor框架，帮助开发人员有效进行线程控制，其本质就是一个线程池。其中ThreadPoolExecutor表示一个线程池，**ThreadPoolExecutor类实现了Executor接口，**因此通过这个接口，任何Runnable的对象都可以被ThreadPoolExecutor线程池调度。

Executor框架的各种类型的线程池：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {}
    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {}
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {}
    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {}
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {}
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {}

*  newFixedThreadPool：返回一个**固定线程数量**的线程池，该线程池中线程的数量始终不变。当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即执行。若没有，则新的任务会被暂存在一个任务队列中，待有线程空闲时，便处理任务队列中的任务。
 *  newCachedThreadPool：该方法返回一个**可根据实际情况调整线程数量**的线程池。线程池的线程数量不确定，若有空闲线程可以复用，则会优先使用可复用的线程。若所有线程均在工作，又有新的任务提交，则会创建新的线程处理任务，当所有线程在当前任务执行完毕后，将返回线程池复用。
 *  newSingleThreadExecutor：该方法返回一个**只有一个线程**的线程池。若有新的任务提交，便会保存在任务队列中，待线程空闲，按先入先出的顺序执行队列中的任务。

*newFixedThreadPool 使用示例*：

![老伙计，关于JDK并发包，这些不为人知的秘密你知道多少？][JDK 12]

其他几种类型的线程池使用类似

# **线程池的内部实现** #

无论是newFixedThreadPool，newCachedThreadPool还是newSingleThreadExecutor，内部均使用了ThreadPoolExecutor类。

*  *newFixedThreadPool*：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

*  *newCachedThreadPool*：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

*  *newSingleThreadExecutor*：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

*ThreadPoolExecutor*类的构造器：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {}

*  corePoolSize：线程池中的核心线程数
 *  maximumPoolSize：线程池的最大线程数
 *  keepAliveTime：多余线程的存活时间
 *  unit：存活时间的单位
 *  workQueue：任务队列，存放被提交但未被执行的任务 。*SynchronousQueue*：直接提交队列。该队列**没有容量**，每一个插入操作都要等待一个删除操作，反之，每一个删除操作都要等待一个插入操作。如果没有空闲的线程，而且线程数也已经达到最大线程数，则会执行拒绝策略。*ArrayBliockingQueue*：有界队列。可以带一个**容量大小参数**，表示该队列最大容量。有界队列仅当任务队列满时才可能将线程数提升到maximumPoolSize，若继续提交任务，则会执行拒绝策略。*LinkedBlockingQueue*：无界队列。除非资源耗尽，否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况。*PriorityBlockingQueue*：优先队列。是一个特殊的无界队列，可以根据任务自身的优先级顺序先后执行。
 *  threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可
 *  handler：拒绝策略，当任务太多来不及处理时，拒绝任务的策略 *AbortPolicy 策略*：直接抛出异常，阻止系统正常运行。*CallerRunsPolicy 策略*：不会真正丢弃任务，在线程池未关闭的时候，运行当前被丢弃的任务。*DiscardOldestPolicy 策略*：丢弃最老的一个任务，也就是即将被执行的一个任务，并尝试再次提交当前任务。*DiscardPolicy 策略*：默默丢弃无法处理的任务，不予任何处理。

> 作者：蔡不菜
> 
> 链接：https://juejin.im/post/6857474324773732366
> 
> 来源：掘金

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[JDK 1]: /images/20221124/457da338ac5e4fc6a64176ee3225b0df.png
[JDK 2]: /images/20221124/a78cc7d097cf415f8eb0b943d10de211.png
[JDK 3]: /images/20221124/50b1a34861744a3f9830724ec27fcbda.png
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[JDK 9]: /images/20221124/f1e483a72e3f4b54996f5c8ed95b775d.png
[JDK 10]: /images/20221124/5f95d1c0c7e5493cae8dcc4b937a5228.png
[JDK 11]: /images/20221124/98682a4ac67d484193e2a4b7ca26247f.png
[JDK 12]: /images/20221124/1c57c16c37794215939d8f6bec6a44b9.png