高并发基础之Java并发包

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摘要: 本系列基于炼数成金课程，为了更好的学习，做了系列的记录。本文主要介绍: 1.各种同步控制工具的使用 2.并发容器及典型源码分析

在[高并发Java 二] 多线程基础中，我们已经初步提到了基本的线程同步操作。这次要提到的是在并发包中的同步控制工具。

1. 各种同步控制工具的使用

1.1 ReentrantLock

ReentrantLock感觉上是synchronized的增强版，synchronized的特点是使用简单，一切交给JVM去处理，但是功能上是比较薄弱的。在JDK1.5之前，ReentrantLock的性能要好于synchronized，由于对JVM进行了优化，现在的JDK版本中，两者性能是不相上下的。如果是简单的实现，不要刻意去使用ReentrantLock。

相比于synchronized，ReentrantLock在功能上更加丰富，它具有可重入、可中断、可限时、公平锁等特点。

首先我们通过一个例子来说明ReentrantLock最初步的用法：

package test;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test implements Runnable
{public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static int i = 0;@Overridepublic void run(){for (int j = 0; j < 10000000; j++){lock.lock();try{i++;}finally{lock.unlock();}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Test test = new Test();Thread t1 = new Thread(test);Thread t2 = new Thread(test);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);}}

有两个线程都对i进行++操作，为了保证线程安全，使用了 ReentrantLock，从用法上可以看出，与 synchronized相比，ReentrantLock就稍微复杂一点。因为必须在finally中进行解锁操作，如果不在 finally解锁，有可能代码出现异常锁没被释放，而synchronized是由JVM来释放锁。

那么ReentrantLock到底有哪些优秀的特点呢？

1.1.1 可重入

单线程可以重复进入，但要重复退出

lock.lock();
lock.lock();
try
{i++;}
finally
{lock.unlock();lock.unlock();
}

由于ReentrantLock是重入锁，所以可以反复得到相同的一把锁，它有一个与锁相关的获取计数器，如果拥有锁的某个线程再次得到锁，那么获取计数器就加1，然后锁需要被释放两次才能获得真正释放(重入锁)。这模仿了 synchronized 的语义；如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块，就允许线程继续进行，当线程退出第二个（或者后续） synchronized 块的时候，不释放锁，只有线程退出它进入的监控器保护的第一个synchronized 块时，才释放锁。

public class Child extends Father implements Runnable{final static Child child = new Child();//为了保证锁唯一public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 50; i++) {new Thread(child).start();}}public synchronized void doSomething() {System.out.println("1child.doSomething()");doAnotherThing(); // 调用自己类中其他的synchronized方法}private synchronized void doAnotherThing() {super.doSomething(); // 调用父类的synchronized方法System.out.println("3child.doAnotherThing()");}@Overridepublic void run() {child.doSomething();}
}
class Father {public synchronized void doSomething() {System.out.println("2father.doSomething()");}
}

我们可以看到一个线程进入不同的 synchronized方法，是不会释放之前得到的锁的。所以输出还是顺序输出。所以synchronized也是重入锁

输出：

1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
...

1.1.2.可中断

与synchronized不同的是，ReentrantLock对中断是有响应的。中断相关知识查看[高并发Java 二] 多线程基础

普通的lock.lock()是不能响应中断的，lock.lockInterruptibly()能够响应中断。

我们模拟出一个死锁现场，然后用中断来处理死锁

package test;import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test implements Runnable
{public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();int lock;public Test(int lock){this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){try{if (lock == 1){lock1.lockInterruptibly();try{Thread.sleep(500);}catch (Exception e){// TODO: handle exception}lock2.lockInterruptibly();}else{lock2.lockInterruptibly();try{Thread.sleep(500);}catch (Exception e){// TODO: handle exception}lock1.lockInterruptibly();}}catch (Exception e){// TODO: handle exception}finally{if (lock1.isHeldByCurrentThread()){lock1.unlock();}if (lock2.isHeldByCurrentThread()){lock2.unlock();}System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":线程退出");}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Test t1 = new Test(1);Test t2 = new Test(2);Thread thread1 = new Thread(t1);Thread thread2 = new Thread(t2);thread1.start();thread2.start();Thread.sleep(1000);//DeadlockChecker.check();}static class DeadlockChecker{private final static ThreadMXBean mbean = ManagementFactory.getThreadMXBean();final static Runnable deadlockChecker = new Runnable(){@Overridepublic void run(){// TODO Auto-generated method stubwhile (true){long[] deadlockedThreadIds = mbean.findDeadlockedThreads();if (deadlockedThreadIds != null){ThreadInfo[] threadInfos = mbean.getThreadInfo(deadlockedThreadIds);for (Thread t : Thread.getAllStackTraces().keySet()){for (int i = 0; i < threadInfos.length; i++){if(t.getId() == threadInfos[i].getThreadId()){t.interrupt();}}}}try{Thread.sleep(5000);}catch (Exception e){// TODO: handle exception}}}};public static void check(){Thread t = new Thread(deadlockChecker);t.setDaemon(true);t.start();}}}

上述代码有可能会发生死锁，线程1得到lock1，线程2得到lock2，然后彼此又想获得对方的锁。

我们用jstack查看运行上述代码后的情况

的确发现了一个死锁。

DeadlockChecker.check();方法用来检测死锁，然后把死锁的线程中断。中断后，线程正常退出。

1.1.3.可限时

超时不能获得锁，就返回false，不会永久等待构成死锁

使用lock.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)来实现可限时锁，参数为时间和单位。

举个例子来说明下可限时：

package test;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test implements Runnable
{public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();@Overridepublic void run(){try{if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)){Thread.sleep(6000);}else{System.out.println("get lock failed");}}catch (Exception e){}finally{if (lock.isHeldByCurrentThread()){lock.unlock();}}}public static void main(String[] args){Test t = new Test();Thread t1 = new Thread(t);Thread t2 = new Thread(t);t1.start();t2.start();}}

使用两个线程来争夺一把锁，当某个线程获得锁后，sleep6秒，每个线程都只尝试5秒去获得锁。

所以必定有一个线程无法获得锁。无法获得后就直接退出了。

输出：

get lock failed

1.1.4.公平锁

使用方式：

public ReentrantLock(boolean fair) public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

一般意义上的锁是不公平的，不一定先来的线程能先得到锁，后来的线程就后得到锁。不公平的锁可能会产生饥饿现象。

公平锁的意思就是，这个锁能保证线程是先来的先得到锁。虽然公平锁不会产生饥饿现象，但是公平锁的性能会比非公平锁差很多。

1.2 Condition

Condition与ReentrantLock的关系就类似于synchronized与Object.wait()/signal()

await()方法会使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用signal()时或者signalAll()方法时，线程会重新获得锁并继续执行。或者当线程被中断时，也能跳出等待。这和Object.wait()方法很相似。

awaitUninterruptibly()方法与await()方法基本相同，但是它并不会再等待过程中响应中断。 singal()方法用于唤醒一个在等待中的线程。相对的singalAll()方法会唤醒所有在等待中的线程。这和Obejct.notify()方法很类似。

这里就不再详细介绍了。举个例子来说明：

package test;import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test implements Runnable
{public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static Condition condition = lock.newCondition();@Overridepublic void run(){try{lock.lock();condition.await();System.out.println("Thread is going on");}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally{lock.unlock();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Test t = new Test();Thread thread = new Thread(t);thread.start();Thread.sleep(2000);lock.lock();condition.signal();lock.unlock();}}

上述例子很简单，让一个线程await住，让主线程去唤醒它。condition.await()/signal只能在得到锁以后使用。

1.3.Semaphore

对于锁来说，它是互斥的排他的。意思就是，只要我获得了锁，没人能再获得了。

而对于Semaphore来说，它允许多个线程同时进入临界区。可以认为它是一个共享锁，但是共享的额度是有限制的，额度用完了，其他没有拿到额度的线程还是要阻塞在临界区外。当额度为1时，就相等于lock

下面举个例子：

package test;import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;public class Test implements Runnable
{final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);@Overridepublic void run(){try{semaphore.acquire();Thread.sleep(2000);System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " done");}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {semaphore.release();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);final Test t = new Test();for (int i = 0; i < 20; i++){executorService.submit(t);}}}

有一个20个线程的线程池，每个线程都去 Semaphore的许可，Semaphore的许可只有5个，运行后可以看到，5个一批，一批一批地输出。

当然一个线程也可以一次申请多个许可

public void acquire(int permits) throws InterruptedException

1.4 ReadWriteLock

ReadWriteLock是区分功能的锁。读和写是两种不同的功能，读-读不互斥，读-写互斥，写-写互斥。

这样的设计是并发量提高了，又保证了数据安全。

使用方式：

private static ReentrantReadWriteLock readWriteLock=new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();

详细例子可以查看 Java实现生产者消费者问题与读者写者问题，这里就不展开了。

1.5 CountDownLatch

倒数计时器
一种典型的场景就是火箭发射。在火箭发射前，为了保证万无一失，往往还要进行各项设备、仪器的检查。只有等所有检查完毕后，引擎才能点火。这种场景就非常适合使用CountDownLatch。它可以使得点火线程
，等待所有检查线程全部完工后，再执行

使用方式：

static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
end.countDown();
end.await();

示意图：

一个简单的例子：

package test;import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class Test implements Runnable
{static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);static final Test t = new Test();@Overridepublic void run(){try{Thread.sleep(2000);System.out.println("complete");countDownLatch.countDown();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);for (int i = 0; i < 10; i++){executorService.execute(t);}countDownLatch.await();System.out.println("end");executorService.shutdown();}}

主线程必须等待10个线程全部执行完才会输出"end"。

1.6 CyclicBarrier

和CountDownLatch相似，也是等待某些线程都做完以后再执行。与CountDownLatch区别在于这个计数器可以反复使用。比如，假设我们将计数器设置为10。那么凑齐第一批1 0个线程后，计数器就会归零，然后接着凑齐下一批10个线程

使用方式：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) barrierAction就是当计数器一次计数完成后，系统会执行的动作await()

示意图：

下面举个例子：

package test;import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class Test implements Runnable
{private String soldier;private final CyclicBarrier cyclic;public Test(String soldier, CyclicBarrier cyclic){this.soldier = soldier;this.cyclic = cyclic;}@Overridepublic void run(){try{//等待所有士兵到齐cyclic.await();dowork();//等待所有士兵完成工作cyclic.await();}catch (Exception e){// TODO Auto-generated catch blocke.printStackTrace();}}private void dowork(){// TODO Auto-generated method stubtry{Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){// TODO: handle exception}System.out.println(soldier + ": done");}public static class BarrierRun implements Runnable{boolean flag;int n;public BarrierRun(boolean flag, int n){super();this.flag = flag;this.n = n;}@Overridepublic void run(){if (flag){System.out.println(n + "个任务完成");}else{System.out.println(n + "个集合完成");flag = true;}}}public static void main(String[] args){final int n = 10;Thread[] threads = new Thread[n];boolean flag = false;CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n, new BarrierRun(flag, n));System.out.println("集合");for (int i = 0; i < n; i++){System.out.println(i + "报道");threads[i] = new Thread(new Test("士兵" + i, barrier));threads[i].start();}}}

打印结果：

集合
0报道
1报道
2报道
3报道
4报道
5报道
6报道
7报道
8报道
9报道
10个集合完成
士兵5: done
士兵7: done
士兵8: done
士兵3: done
士兵4: done
士兵1: done
士兵6: done
士兵2: done
士兵0: done
士兵9: done
10个任务完成

1.7 LockSupport

提供线程阻塞原语

和suspend类似

LockSupport.park();
LockSupport.unpark(t1);

与suspend相比不容易引起线程冻结

LockSupport的思想呢，和 Semaphore有点相似，内部有一个许可，park的时候拿掉这个许可，unpark的时候申请这个许可。所以如果unpark在park之前，是不会发生线程冻结的。

下面的代码是[高并发Java 二] 多线程基础中suspend示例代码，在使用suspend时会发生死锁。

package test;import java.util.concurrent.locks.LockSupport;public class Test
{static Object u = new Object();static TestSuspendThread t1 = new TestSuspendThread("t1");static TestSuspendThread t2 = new TestSuspendThread("t2");public static class TestSuspendThread extends Thread{public TestSuspendThread(String name){setName(name);}@Overridepublic void run(){synchronized (u){System.out.println("in " + getName());//Thread.currentThread().suspend();LockSupport.park();}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException{t1.start();Thread.sleep(100);t2.start();
//        t1.resume();
//        t2.resume();LockSupport.unpark(t1);LockSupport.unpark(t2);t1.join();t2.join();}
}

而使用 LockSupport则不会发生死锁。

另外

park()能够响应中断，但不抛出异常。中断响应的结果是，park()函数的返回，可以从Thread.interrupted()得到中断标志。

在JDK当中有大量地方使用到了park，当然LockSupport的实现也是使用unsafe.park()来实现的。

public static void park() {unsafe.park(false, 0L);}

1.8 ReentrantLock 的实现

下面来介绍下ReentrantLock的实现，ReentrantLock的实现主要由3部分组成：

CAS状态
等待队列
park()

ReentrantLock的父类中会有一个state变量来表示同步的状态

/*** The synchronization state.*/private volatile int state;

通过CAS操作来设置state来获取锁，如果设置成了1，则将锁的持有者给当前线程

final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);}

如果拿锁不成功，则会做一个申请

public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}

首先，再去申请下试试看tryAcquire，因为此时可能另一个线程已经释放了锁。

如果还是没有申请到锁，就addWaiter，意思是把自己加到等待队列中去

private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node);return node;}

其间还会有多次尝试去申请锁，如果还是申请不到，就会被挂起

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this);return Thread.interrupted();}

同理，如果在unlock操作中，就是释放了锁，然后unpark，这里就不具体讲了。

2. 并发容器及典型源码分析

2.1 ConcurrentHashMap

我们知道HashMap不是一个线程安全的容器，最简单的方式使HashMap变成线程安全就是使用Collections.synchronizedMap，它是对HashMap的一个包装

public static Map m=Collections.synchronizedMap(new HashMap());

同理对于List，Set也提供了相似方法。

但是这种方式只适合于并发量比较小的情况。

我们来看下synchronizedMap的实现

private final Map<K,V> m;     // Backing Mapfinal Object      mutex;        // Object on which to synchronizeSynchronizedMap(Map<K,V> m) {if (m==null)throw new NullPointerException();this.m = m;mutex = this;}SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {this.m = m;this.mutex = mutex;}public int size() {synchronized (mutex) {return m.size();}}public boolean isEmpty() {synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}}public boolean containsKey(Object key) {synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}}public boolean containsValue(Object value) {synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}}public V get(Object key) {synchronized (mutex) {return m.get(key);}}public V put(K key, V value) {synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}}public V remove(Object key) {synchronized (mutex) {return m.remove(key);}}public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {synchronized (mutex) {m.putAll(map);}}public void clear() {synchronized (mutex) {m.clear();}}

它会将HashMap包装在里面，然后将HashMap的每个操作都加上synchronized。

由于每个方法都是获取同一把锁(mutex)，这就意味着，put和remove等操作是互斥的，大大减少了并发量。

下面来看下ConcurrentHashMap是如何实现的

public V put(K key, V value) {Segment<K,V> s;if (value == null)throw new NullPointerException();int hash = hash(key);int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegments = ensureSegment(j);return s.put(key, hash, value, false);}

在 ConcurrentHashMap内部有一个Segment段，它将大的HashMap切分成若干个段（小的HashMap），然后让数据在每一段上Hash，这样多个线程在不同段上的Hash操作一定是线程安全的，所以只需要同步同一个段上的线程就可以了，这样实现了锁的分离，大大增加了并发量。

在使用ConcurrentHashMap.size时会比较麻烦，因为它要统计每个段的数据和，在这个时候，要把每一个段都加上锁，然后再做数据统计。这个就是把锁分离后的小小弊端，但是size方法应该是不会被高频率调用的方法。

在实现上，不使用synchronized和lock.lock而是尽量使用trylock，同时在HashMap的实现上，也做了一点优化。这里就不提了。

2.2 BlockingQueue

BlockingQueue不是一个高性能的容器。但是它是一个非常好的共享数据的容器。是典型的生产者和消费者的实现。

示意图：

具体可以查看Java实现生产者消费者问题与读者写者问题


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