Java 多线程（九）—— JUC 常见组件与线程安全的集合类

Callable 与 FutureTask

Callable 接口和 Runnable 接口是并列关系，都是用来给线程提供任务的，只不过 Callable 接口的任务可以带有返回值。

在这里插入图片描述
但是 Callable 接口创建的任务不能直接传入 Thread 里面，这也是为了解耦合，我们可以使用 FutureTask 这个玩意来接收一下 Callable 接口定义的任务，然后再通过 FutureTask 传给 Thread里面。

    public static void main(String[] args) {
        Callable<Integer> c = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                    sum++;
                }
                return sum;
            }
        };

        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(c);

        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();
    }

ReentrantLock 与原子类

这些已经在上一篇文章中提到，不了解的可以阅读此文：Java 多线程（八）—— 锁策略，synchronized 的优化，JVM 与编译器的锁优化，ReentrantLock，CAS

Semaphore 信号量

信号量，用来表示"可用资源的个数"。本质上就是一个计数器.

可以把信号量想象成是停车场的展示牌:当前有车位 100 个。表示有 100 个可用资源.
当有车开进去的时候, 就相当于申请⼀个可用资源, 可用车位就 -1 (这个称为信号量的 P 操作)
当有车开出来的时候，就相当于释放⼀个可用资源，可用车位就 +1 (这个称为信号量的 V 操作)
如果计数器的值已经为 0 了，还尝试申请资源，就会阻塞等待，直到有其他线程释放资源。

在操作系统中，每一次的 P 操作就会让信号量 - 1，每一次的 V 操作就会让信号量 + 1

P 操作表示向操作系统申请资源， V 操作表示释放资源

在 Java 中，我们可以实例化 Semophore ，使用 acquire 方法表示申请资源（P操作），release 方法表示释放资源（V操作）

代码演示：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

        semaphore.acquire();
        System.out.println("进行了一次P操作");
        semaphore.acquire();
        System.out.println("进行了一次P操作");
        semaphore.release();
        System.out.println("进行了一次V操作");
        semaphore.release();
        System.out.println("进行了一次V操作");
    }

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这里要注意：如果资源不够的话，那就不能进行资源分配，该申请资源的线程会阻塞等待（死等 waiting）状态，直到有资源分配为止。

所以我们可以利用 Semaphore 这一个特性来制作一个类似锁的功能，我们给 Semaphore 传入一个信号量。

    private static int sum = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    sum++;
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    sum++;
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("sum = " + sum);
    }

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CountDownLatch

我们在使用多线程经常把一个大的任务拆分成很多个子任务，当这些线程去执行这些任务的时候，我们如何判断这些子任务都完成了呢？整个任务都完成了呢？

这时候我们可以使用 CountDownLatch 来进行统计任务执行的次数。

构造方法：
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count 参数表示任务总数

CountDownLatch 提供 countDown() 方法，在每次执行完一个子任务之后，我们就调用一次这个方法，让计数器减 1.
同时也提供了 await 方法：阻塞等待所有的子任务执行完毕，也就是计数器为 0，开始执行该线程的任务。

代码演示：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int id = i;
            executorService.submit(() -> {
                System.out.println("子任务开始执行：" + id);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(id + "子任务执行完毕");
                countDownLatch.countDown();
            });
        }

        countDownLatch.await();
        System.out.println("等待所有任务执行完毕......");
        executorService.shutdown();
    }
}

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线程安全的集合类

多线程环境使用 ArrayList

Collections.synchronizedList()

synchronizedList 是标准库提供的⼀个基于 synchronized 进行线程同步的 List.synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized

代码演示：Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>(10));

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWrite容器即写时复制的容器

当我们要去往一个容器进行写操作的时候，不是直接在原来的地方进行写操作，而是先将容器拷贝一份，在拷贝的哪个容器上进行写操作，等到写操作结束之后，我们再将原来容器的引用指向为拷贝的容器。

代码演示：CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。
所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

优点：在读多写少的场景下，性能很高，不需要加锁竞争。

缺点：1.占用内存较多。
2.新写的数据不能被第一时间读取到。

多线程环境使用队列

ArrayBlockingQueue
基于数组实现的阻塞队列
LinkedBlockingQueue
基于链表实现的阻塞队列
PriorityBlockingQueue
基于堆实现的带优先级的阻塞队列
TransferQueue
最多只包含⼀个元素的阻塞队列

多线程环境使用哈希表

HashMap 本身不是线程安全的

Hashtable

只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字

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这个实现不是很好，当多个线程进行对这个哈希表进行操作的时候，很容易就会发生锁冲突。
同时，size 属性也是通过 synchronized 来控制同步，一旦触发扩容，就由该线程完成整个扩容过程。这个过程会涉及到大量的元素拷贝，效率会非常低.

所以我们不会去使用这个玩意，我们会选择下面的 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap

读操作没有加锁(但是使用了volatile保证从内存读取结果)，只对写操作进行加锁。加锁的方式仍然是用synchronized，但是不是锁整个对象，而是 “锁桶” (用每个链表的头结点作为锁对象)，大大降低了锁冲突的概率.

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充分利用 CAS 特性，比如 size 属性通过 CAS 来更新。避免出现重量级锁的情况。

优化了扩容方式：化整为零
发现需要扩容的线程，只需要创建一个新的数组，同时只搬几个元素过去。
扩容期间，新老数组同时存在。
后续每个来操作 ConcurrentHashMap 的线程，都会参与搬家的过程。每个操作负责搬运一小部分元素。搬完最后⼀个元素再把老数组删掉。
这个期间，插入只往新数组加。
这个期间，查找需要同时查新数组和老数组。

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