Java Web 实战 13 - 多线程进阶之 synchronized 原理以及 JUC 问题

淩亂°似流年 2024-03-25 16:37 82阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一 . synchronized 原理
 *   *  1.1 synchronized 使用的锁策略
     *  1.2 synchronized 是怎样自适应的? (锁膨胀 / 升级 的过程)
     *  1.3 synchronized 其他的优化操作
     *   *  锁消除
         *  锁粗化
     *  1.4 常见面试题
 *  二 . JUC (java.util.concurrent)
 *   *  2.1 Callable 接口
     *  2.2 ReentrantLock
     *  2.3 原子类
     *  2.4 线程池
     *   *  ExecutorService 和 Executors

> 大家好 , 这篇文章给大家分享多线程中 synchronized 的原理以及 JUC 相关问题  
> 注意这块的 synchronized 是小写的 , 一定要注意拼写  
> 推荐大家跳转到 [此链接][Link 1] 查看效果更佳~  
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> ![在这里插入图片描述][f5e65eed2d9047139c44f200ffa20296.png]

## 一 . synchronized 原理 ##

注意这块的 synchronized 是小写的 , 一定要注意拼写

### 1.1 synchronized 使用的锁策略 ###

1.  既是悲观锁 , 也是乐观锁 (自适应锁)
2.  既是轻量级锁 , 也是重量级锁 (自适应锁)
3.  轻量级锁部分基于自旋锁实现 , 重量级锁部分基于挂起等待锁来实现
4.  不是读写锁
5.  是非公平锁
6.  是可重入锁

### 1.2 synchronized 是怎样自适应的? (锁膨胀 / 升级 的过程) ###

synchronized 在加锁的时候要经历几个阶段 :

1.  无锁 (没加锁)
2.  偏向锁 (刚开始加锁 , 未产生竞争的时候)
3.  轻量级锁 (产生锁竞争了)
4.  重量级锁 (锁竞争的更激烈了)

其中 , 我们再分析一下什么是偏向锁  
偏向锁 , 不是"真正加锁" , 只是用个标记表示 “这个锁是我的了” , 在遇到其他线程来竞争锁之前 , 都始终保持这个状态 .  
直到真的有人来竞争了，此时才真的加锁  
这个过程类似于单例模式中的"懒汉模式" , 必要的时候再加锁 , 节省开销

举个栗子 :  
我是一个漂亮的妹子 , 遇到了一个小哥哥 , 对他各个方面都很满意 , 我们的感情就很快升温  
但是我就不和他确定关系 , 造成若即若离的感觉 , 这样的话后面如果我腻歪了 , 随时伸腿就踹了 , 成本很低  
这就是偏向锁状态

突然 , 我又发现另外一个妹子也在接近小哥哥 , 这个时候我趁着他们俩刚认识 , 我就赶紧和小哥哥确立男女朋友关系 , 并且发朋友圈官宣 , 另外的这个妹子就上一边等着去  
这就是偏向锁在遇到锁竞争的时候 , 再真正进行加锁

如果没有额外的妹子(线程)过来竞争 , 从始至终都是在偏向锁的状态 , 也就省去了加锁以及解锁的开销了 , 这就更加的轻量

### 1.3 synchronized 其他的优化操作 ###

#### 锁消除 ####

锁消除.编译器自动判定 , 如果认为这个代码没必要加锁 , 就不加了 .  
这个操作不是所有情况下都会触发 , 大部分情况下不能触发  
比如 :

StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append("a");
    sb.append("b");
    sb.append("c");
    sb.append("d");

此处的这几个 append 方法 , 内部都是带有 synchronized 的  
如果上述代码都是在同一个线程中运行的 , 此时就没必要再去加锁了  
JVM 就悄悄地把锁去掉了

#### 锁粗化 ####

先了解锁的粒度 : synchronized 包含的代码范围是大还是小 , 范围越大 , 粒度越粗 ; 范围越小 , 粒度越细  
锁的粒度细了 , 能够更好的提高线程的并发 , 但会也会增加 “加锁解锁” 的次数  
![image.png][]  
![image.png][image.png 1]

### 1.4 常见面试题 ###

1.  能够理解 synchronized 基本执行过程 , 理解锁对象 , 理解锁竞争
2.  能够知道 synchronized 的基本策略
3.  能够理解 synchronized 内部的一些锁优化的过程 ( 锁升级 , 锁消除 , 锁粗化 )
4.  什么是偏向锁

## 二 . JUC (java.util.concurrent) ##

concurrent 中文叫做并发  
java.util.concurrent 这个包里就存放了很多和多线程开发相关的类

### 2.1 Callable 接口 ###

和我们之前学习过得 Runnable 非常类似 , 都是可以在创建线程的时候 , 来指定一个 “具体的任务”  
而 Callable 指定的任务是带有返回值的 , Runnable 是不带返回值的  
Callable 里面会提供一个 call 方法 , call 方法是带有返回值的 , 我们可以借助它很容易的获得到任务的执行结果

举个栗子 : 创建线程计算 1 + 2 + 3 + … + 1000, 不使用 Callable 版本

static class Result {
        
        public int sum = 0;
        public Object lock = new Object();
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        Result result = new Result();
        // 创建一个线程去计算 1~100 之间的值
        // 但是我们通过 run 方法没办法返回值
        // 就需要把结果写入到 Result 类当中的 sum 
        Thread t = new Thread() {
        
            @Override
            public void run() {
        
                int sum = 0;
                for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
        
                    sum += i;
                }
                // 赋值操作需要加锁
                synchronized (result.lock) {
        
                    result.sum = sum;
                    result.lock.notify();
                }
            }
        };
        t.start();
    
        // 在主线程这里,再去针对 result 结果进行等待
        // 上面的 result 结果计算好之后,上面的 notify 就会唤醒下面的 wait
        // 打印 sum 的值
        synchronized (result.lock) {
        
            while (result.sum == 0) {
        
                result.lock.wait();
            }
            System.out.println(result.sum);
        }
    }

上述代码需要一个辅助类 Result , 还需要使用一系列的加锁和 wait notify 操作 , 代码复杂 , 容易出错 .  
我们可以使用 Callable 接口

import java.util.concurrent.Callable;
    
    public class Demo28 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建 Callable 接口,它是带有泛型参数的
            // 这个泛型参数实际就是 call 方法的返回值
            // new 一个匿名内部类
            Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
        
                // 这里的 Object 要改成 Integer
                @Override
                public Integer call() throws Exception {
        
                    int sum = 0;
                    for (int i = 0; i <= 1000; i++) {
        
                        sum += i;
                    }
                    return sum;
                }
            };
            
        }
    }

接下来 , 我们就可以新建线程执行这个任务了  
![image.png][image.png 2]

import java.util.concurrent.Callable;
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    import java.util.concurrent.FutureTask;
    
    public class Demo28 {
        
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        
            // 创建 Callable 接口,它是带有泛型参数的
            // 这个泛型参数实际就是 call 方法的返回值
            // new 一个匿名内部类
            Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
        
                // 这里的 Object 要改成 Integer
                @Override
                public Integer call() throws Exception {
        
                    int sum = 0;
                    for (int i = 0; i <= 1000; i++) {
        
                        sum += i;
                    }
                    return sum;
                }
            };
    
            // 套上一层,目的是为了获取到后续的结果
            FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(callable);
    
            Thread t = new Thread(task);
            t.start();
    
            // 在线程 t 执行结束之前,get 会阻塞等待,直到 t 执行完了,结果算完了
            // get 才能返回.返回值就是 call 方法 return 的内容
            System.out.println(task.get());
        }
    }

这里的 FutureTask 就好比 :  
我们去餐馆吃饭 , 人很多的时候 , 老板会给你个小票 , 后续就可以凭小票来取餐

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到目前为止 , 我们已经学习过好几种创建线程的方式了

1.  继承 Thread
2.  使用 Runnable
3.  使用 lambda
4.  使用 Callable
5.  使用线程池

### 2.2 ReentrantLock ###

ReentrantLock 代表可重入锁

synchronized 已经是可重入锁了 , 为什么还要再弄一个 ReentrantLock 呢 ?

1.  synchronized 是单纯的关键字 , 以代码块为单位进行加锁解锁 .

ReentrantLock则是一个类 , 提供 lock 方法加锁 , unlock 方法解锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class Demo29 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            ReentrantLock locker = new ReentrantLock();
            // 加锁
            locker.lock();
    
            // 其他代码逻辑
            
            // 解锁
            locker.unlock();
        }
    }

但这种方式还存在一些问题  
假如中间的其他代码逻辑出现了问题 , 抛出了异常 , 后面的 unlock() 就执行不到了  
所以我们一般把加锁解锁操作放到 try catch finally 中

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class Demo29 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            ReentrantLock locker = new ReentrantLock();
            try {
        
                // 加锁
                locker.lock();
    
                // 其他代码逻辑
                
            } finally {
        
                // 解锁
                locker.unlock();
            }
        }
    }

1.  ReentrantLock 会提供一个"公平锁"版本 , 在构造实例的时候 , 可以通过构造方法指定一个参数 , 切换到公平锁模式

`ReentrantLock locker = new ReentrantLock(true);`  
synchronized 只是一个非公平锁

1.  ReentrantLock 还提供了一个特殊的加锁操作 : tryLock()

默认的 lock 是加锁失败 , 就阻塞  
而 tryLock 加锁失败 , 则不阻塞 , 直接往下执行 , 并且返回 false  
除了立即失败之外 , tryLock 还能设定一定的等待时间 (等一会再失败)

1.  ReentrantLock 提供了更强大的 等待/唤醒 机制

synchronized 搭配的是 Object.wait / notify , 唤醒的时候 , 随机唤醒其中一个  
ReentrantLock 搭配了 Condition 类来实现等待唤醒 , 可以做到能随机唤醒一个 , 也能指定线程唤醒

大部分情况下 , 使用锁还是 synchronized 为主 .  
特殊场景下 , 才使用 ReentrantLock

### 2.3 原子类 ###

原子类内部用的是 CAS 实现，所以性能要比加锁实现 i++ 高很多  
我们常用的是 AtomicInteger  
他的常用方法有

addAndGet(int delta);   i += delta;
    decrementAndGet(); 		--i;
    getAndDecrement(); 		i--;
    incrementAndGet(); 		++i;
    getAndIncrement(); 		i++;

### 2.4 线程池 ###

虽然创建销毁线程比创建销毁进程更轻量 , 但是在频繁创建销毁线程的时候还是会比较低效.  
线程池就是为了解决这个问题 . 如果某个线程不再使用了 , 并不是真正把线程释放 , 而是放到一个 "池子"中 , 下次如果需要用到线程就直接从池子中取 , 不必通过系统来创建了.

#### ExecutorService 和 Executors ####

ExecutorService 是一个线程实例 , Executors 是一个工厂类

Executors 创建线程池的几种方式

*  newFixedThreadPool : 创建固定线程数的线程池
 *  newCachedThreadPool : 创建线程数目动态增长的线程池.
 *  newSingleThreadExecutor : 创建只包含单个线程的线程池.
 *  newScheduledThreadPool : 设定 延迟时间后执行命令 , 或者定期执行命令 . 是进阶版的 Timer.

Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装 , 这个类是标准库中最核心的线池类  
打开我们的 [Java 文档][Java]  
![image.png][image.png 3]  
我们来看第四个构造方法  
![image.png][image.png 4]  
实际工作中 , 一般建议大家 , 使用线程池的时候 , 尽量还是用 ThreadPoolExecutor 复杂版本的 , 这里的参数都显式的手动传参 , 这样就可以更好的掌控代码

当我们使用线程池的时候 , 线程数目设置成多少合适 ?  
只要你回答出具体的数字 , 一定都是错的 .  
不同的场景 , 不同的程序 , 不同的主机配置 , 都会有差异  
面试中我们回答不了具体设置几个线程 , 但是可以回答 : 找到合适线程数的方法 -> 压测(性能测试)  
针对当前的程序进行性能测试 , 分别设置不同的线程数目 , 分别进行测试  
在测试过程中 , 会记录程序的时间、CPU占用、内存占用…  
根据压测结果 , 来选择咱们觉得最适合当前场景的数目

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关于 JUC , 我们后续还会再增加一些内容 , 大家敬请期待~  
如果对你有帮助的话 , 请一键三连嗷~  
![在这里插入图片描述][5b63a7dfb7d449b09422cd520d31d683.png]

[Link 1]: https://www.yuque.com/jialebihaitao/study/ufhz8xe9t543lg81?singleDoc#%20%E3%80%8A3.%20%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%20%28%E8%BF%9B%E9%98%B6%29%E3%80%8B
[Link 2]: https://blog.csdn.net/m0_53117341/article/details/129567447
[Link 3]: https://blog.csdn.net/m0_53117341/category_12186238.html?spm=1001.2014.3001.5482
[f5e65eed2d9047139c44f200ffa20296.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/5eef67fe6b0944b695557d912ab0718c.png
[image.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/7966d571da6b4daba6d531ae121cc1b8.png
[image.png 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/d1d7636e63ed4433807e65fc77c7557a.png
[image.png 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/f962ddd34ae3410a99265370405802e3.png
[Java]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/
[image.png 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/c8a3d2d03d384105b9da502045761ea2.png
[image.png 4]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/f59a6761e1104d8ab88cf98c0b96c1d8.png
[5b63a7dfb7d449b09422cd520d31d683.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/59ff261cfe2345759428b5450bc5410d.png