第二章线程间通信、集合的线程安全

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第二章线程间通信、集合的线程安全
一、线程间通信
- 1.介绍
- 2.synchronized 方案
- 3.Lock 方案
- 4.定制化线程通信
二、集合的线程安全
- 1.集合线程不安全演示
- 2.Vector
- 3.Collections
- 4.CopyOnWriteList

一、线程间通信

1.介绍

多线程编程步骤：

创建资源类，在资源类创建属性和操作方法
操作方法分三步
1. 判断
2. 干活
3. 通知
创建多个线程，调用资源类的操作方法
防止虚假唤醒问题

线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递，以下通过 synchronized 和 Lock 分别实现

场景：两个线程，一个线程对当前数值加 1，另一个线程对当前数值减 1

2.synchronized 方案

package com.sisyphus.sync;/*** @Description: synchronized 方案* @Param: $* @return: $* @Author: Sisyphus* @Date: $*/
public class ThreadDemo1 {//第三步，创建多个线程，调用资源类的操作方法public static void main(String[] args) {Share share = new Share();//创建线程new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"AA").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"BB").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"CC").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"DD").start();}
}//第一步 创建资源类，定义属性和操作方法
class Share{//初始值private int number = 0;//+1 的方法public synchronized void incr() throws InterruptedException {//第二步 判断 干活 通知while(number != 0){    //判断 number 值是否为 0，如果不是，等待this.wait();}//如果 number 值是 0，就 +1 操作number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " :: " + number);//通知其他线程this.notifyAll();}//-1 的方法public synchronized void decr() throws InterruptedException {//判断while(number != 1){this.wait();}//干活number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " :: " + number);//通知其他线程this.notifyAll();}
}

3.Lock 方案

package com.sisyphus.lock;import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** @Description: Lock 方案* @Param: $* @return: $* @Author: Sisyphus* @Date: $*/
public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {Share share = new Share();new Thread(()->{for(int i = 1; i <= 10; i++ ){try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"AA").start();new Thread(()->{for(int i = 1; i <= 10; i++ ){try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"BB").start();new Thread(()->{for(int i = 1; i <= 10; i++ ){try {share.incr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"CC").start();new Thread(()->{for(int i = 1; i <= 10; i++ ){try {share.decr();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"DD").start();}
}//第一步 创建资源类，定义属性和操作方法
class Share{private int number = 0;//创建 Lockprivate final Lock lock = new ReentrantLock();private final Condition condition = lock.newCondition();//+1public void incr() throws InterruptedException {//上锁lock.lock();try{//判断while(number != 0){condition.await();}//干活number++;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " :: " + number);//通知condition.signalAll();}finally {//解锁lock.unlock();}}//-1public void decr() throws InterruptedException {//上锁lock.lock();try{//判断while(number != 1){condition.await();}//干活number--;System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " :: " + number);//通知condition.signalAll();}finally {//解锁lock.unlock();}}
}

4.定制化线程通信

场景：启动三个线程，按照如下要求：

AA 打印 5 次，BB 打印 10 次，CC 打印 15 次
总共进行10轮

package com.sisyphus.lock;import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.*;/*** @Description: $* @Param: $* @return: $* @Author: Sisyphus* @Date: $*/
public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) {ShareResource shareResource = new ShareResource();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {shareResource.print5(i);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"AA").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {shareResource.print10(i);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"BB").start();new Thread(()->{for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {shareResource.print15(i);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"CC").start();}}//第一步 创建资源类
class ShareResource{//定义标志位private int flag = 1;   // 1 AA     2 BB    3 CC//创建 Lock 锁private final Lock lock = new ReentrantLock();//创建三个 conditionprivate final Condition c1 = lock.newCondition();private final Condition c2 = lock.newCondition();private final Condition c3 = lock.newCondition();//打印 5 次，参数第几轮public void print5(int loop) throws InterruptedException {try{//上锁lock.lock();//判断while(flag != 1){c1.await();}//干活for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + "轮数：" + loop);}//通知flag = 2;   //修改标志位 2c2.signal();//通知 BB 线程}finally {//释放锁lock.unlock();}}//打印 10 次，参数第几轮public void print10(int loop) throws InterruptedException {try{//上锁lock.lock();//判断while(flag != 2){c2.await();}//干活for (int i = 1; i <= 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + "轮数：" + loop);}//通知flag = 3;   //修改标志位 3c3.signal();//通知 CC 线程}finally {//释放锁lock.unlock();}}//打印 15 次，参数第几轮public void print15(int loop) throws InterruptedException {try{//上锁lock.lock();//判断while(flag != 3){c3.await();}//干活for (int i = 1; i <= 15; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :: " + i + "轮数：" + loop);}//通知flag = 1;   //修改标志位 1c1.signal();//通知 AA 线程}finally {//释放锁lock.unlock();}}
}

二、集合的线程安全

1.集合线程不安全演示

package com.sisyphus.lock;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;/*** @Description: list 集合线程不安全* @Param: $* @return: $* @Author: Sisyphus* @Date: $*/
public class ThreadDemo4 {public static void main(String[] args) {//创建 ArrayList 集合List<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 100; i++) {new Thread(()->{//向集合内添加内容list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));//向集合内获取内容System.out.println(list);},String.valueOf(i)).start();}}
}

异常内容：
java.util.ConcurrentModificationException

查看 ArrayList 的 add 源码

我们发现 add 方法并没有用 synchronized 修饰

我们可以通过三种方式来解决这个问题：

Vector
Collections
CopyOnWriteArrayList

2.Vector

我们可以看到，Vector 的 add 方法使用了 synchronized 修饰，因此不会出现问题

代码很简单，只需要把 ArrayList 换成 Vector 即可，这里不再进行演示

需要注意，这种方式已经几乎不再使用了，因为它的性能太低了

3.Collections

Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 List 是同步线程安全的

查看源码

和 Vector 一样，Collections 也几乎不再使用

4.CopyOnWriteList

CopyOnWriteList 相当于线程安全的 ArrayList，和 ArrayList 一样，它是个可变数组。但是和 ArrayList 不同的是，它具有以下特性：

它最适合具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突
它是线程安全的
可变操作（add、set、remove）的开销很大，因为需要复制整个数组
迭代器支持 hasNext()、next() 等不可变操作，但不支持可变操作
使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其它线程发生冲突，在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照

CopyOnWrite 没有采用独占锁，而是采用读写分离的思想解决线程安全问题。写线程获取锁的时候，其他的线程会阻塞，它的核心是复制思想：

当我们往一个容器添加元素的时候，不是直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行复制，复制出一个新的容器，然后往新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器

动态数组机制：

CopyOnWriteList 内部有一个 volatile 数组来保存数据。在添加、修改或删除数据时会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给 volatile 数组。由于它在添加、修改或删除数据时都会新建数组，所以涉及到这些操作时，它的效率很低，如果只是进行遍历的话，效率比较高

线程安全机制通过 volatile 和互斥锁实现：

通过 volatile 数组保存数据，一个线程读取 volatile 时，总能看到其它线程对该 volatile 数组最后的写入，因此读到的数据总是最新的
通过互斥锁来保护数据，在添加、修改或删除数据时获取互斥锁。在添加、修改或删除之后，先将数据更新到 volatile 数组中，然后再释放互斥锁，达到保护数据的目的

HashSet 和 HashMap 的线程安全问题与 ArrayList 类似，也可以通过 CopyOnWriteArraySet 解决

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