多线程 | 《Java 并发编程艺术》的学习 - 码农知识堂

多线程 | 《Java 并发编程艺术》的学习
Java多线程并发

一并发编程的挑战

1.1 上下文切换

上下文切换：任务从保存到再加载的过程。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。

多线程一定会快吗？
- 不一定。因为任务创建和上下文切换，并发执行次数少的时候，执行速度会比串行慢。
如何减少上下文切换？
1. 无锁并发编程
  - 多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁。
    
    将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
    
    （实习项目）不同线程去读取kafka不同topic里的数据，再去做相应的操作。
2. CAS算法
3. 使用最少线程
  - 避免创建不需要的线程，导致大量线程处于等待状态。
4. 协程
  - 在单线程中实现多任务的调度，并在单线程中维持多个任务的切换。
如何避免死锁？
1. 避免一个线程同时获得多个锁。
2. 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
3. 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来代替内部锁。
4. 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现锁失败的情况。
二 Java并发机制底层原理

java程序编译成字节码，字节码被类加载器加载到JVM里执行，最终变为CPU可运行的汇编指令，所以java并发与JVM实现和CPU指令息息相关。

2.1 volatile
- volatile是轻量级的synchronized，它不会引起上下文的切换和调度。
- 特性：
  - volatile修饰符可以保证变量的可见性。
    
    如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
  - 任意单个volatile修饰的变量的读/写具有个原子性。
    
    volatile++这种符合操作不具有原子性
2.1.1 定义和实现原理
- cpu术语：
volatile如何保证可见性？
1. 处理器不直接和内存通信，而是先将内存数据读到内部缓存，然后进行操作。
2. volatile修饰的变量在进行写操作时，JVM会向处理器发送 LOCK 指令，将这个数据所在的缓存行写到系统内存中进行修改。一个处理器的缓存回写到内存里会导致其他处理器的缓存无效。
3. 根据缓存一致性原则来确保修改的原子性。
  
  缓存一致性：处理器会嗅探系统总线上的数据来判断缓存中的数据是否过期，如果过期，则将缓存中的数据设为无效状态。当要对该数据进行修改时，会先去内存中读取数据。
volatile读/写的内存语义
1. 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
2. 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。接下来将从主内存中读取共享变量。
线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息

volatile内存语义的实现

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

2.2 synchronized

synchronized实现同步的基础：Java中每个对象都可以作为锁：
- 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
```
public synchronized void add() {...}
```
- 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象
```
public synchronized static void add() {...}
```
- 对于同步方法块，锁是Synchronized括号里配置的对象。
```
synchronized (ObjectA.class) {...}
```
synchronized在JVM实现原理：
- monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置。
- 而 monitorexit 是插入到方法结束处和异常处。
- JVM要保证每个monitorenter 必须有对应的 monitorexit 与之配对。
- 任何对象都有一个 monitor 对象与之关联，当且一个 monitor 被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。
2.2.1 Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头的MarkWord里。

MarkWord：

2.2.2 锁的升级
- 锁的升级：无锁 —> 偏向锁 —> 轻量级锁 —> 重量级锁
1 偏向锁

因为大多数情况下，锁都是由同一个线程获得的，所以发明了偏向锁。
- 偏向锁的初始化
  1. 当一个线程访问同步代码块并且获得锁时，会在锁对象头和栈帧的锁记录里存储锁偏向的线程ID。
  2. 以后，该线程进入同步代码块时，不需要进行CAS操作来加锁和解锁，而是简单测试一下对象头里Mark Word是否存储指向当前线程的偏向锁。
    
    如果测试成功，则表示该线程获得锁
    
    如果测试失败，则查看偏向锁标识是否为1
    
    为1，则将对象头的偏向锁指向当前线程
    
    没有设置，则使用CAS竞争锁
- 偏向锁的撤销
  - 当其他线程尝试竞争偏向锁，持有该偏向锁的线程就会释放锁。
    
    偏向锁的撤销，需要等到全局安全点。全局安全点：当前没有执行的字节码
    
    暂停拥有偏向锁的线程
    
    检查持有偏向锁的线程是否活着
    
    不存活：将对象头设置为无锁状态
    
    存活：栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
2 轻量级锁

锁只能升级不能降级，原因：
- 因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。
- 当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争
2.2.3 锁的对比

2.2.4 锁的实现原理

锁的释放和获取的内存语义
- 线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息
锁内存语义的实现

ReentrantLock为例
- ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。
- AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态。
2.3 原子操作

处理器实现原子操作
1. 总线锁
2. 缓存锁
Java实现原子操作
1. 锁
2. 循环CAS
  - 循环进行CAS直到成功为止
  - 除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS：当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。
  - 问题：
    
    ABA问题
    
    解决：版本号
    
    循环时间长开销大
    
    只能保证一个共享变量的原子操作
三 Java内存模型

3.1 线程通信

3.1.1 线程通信机制
1. 共享内存
2. 消息传递
3.1.2 指令重排序

3.2 final域的内存语义

3.3 happens-before

3.4 双重检查锁定与延迟初始化
- 在Java多线程程序中，有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销。
3.4.1 双重检查锁定
```
public class DoubleCheckedLocking { // 1
    
    private static Instance instance; // 2
    
    public static Instance getInstance() { // 3
        if (instance == null) { // 4:第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 5:加锁
                if (instance == null) // 6:第二次检查
                    instance = new Instance(); // 7:问题的根源出在这里
                } // 8
        } // 9
        
        return instance; // 10
    } // 11
}
```
双重检查锁定的问题
- 双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！在线程执行到第4行，代码读取到instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化（对象根据构造函数进行初始化）。
- 原因：
  - instance = new Instance();创建对象的过程是：
    
    memory = allocate(); // 1：分配对象的内存空间 ctorInstance(memory); // 2：初始化对象 instance = memory; // 3：设置instance指向刚分配的内存地址
    
    上面3行伪代码中的2和3之间，可能会被重排序
    
    如果发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在第4行判断instance不为null。
1. 基于volatile的解决方案
```
public class DoubleCheckedLocking { 
    
    private volatile static Instance instance; // 添加volatile
    
    public static Instance getInstance() { 
        if (instance == null) { 
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { 
                if (instance == null) 
                    instance = new Instance(); // 现在没问题了
                } 
        } 
        
        return instance; 
    } 
}
```
- 当声明对象的引用为volatile后，上面伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。
2. 基于类初始化的解决方案
- JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。
- 在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。
```
public class InstanceFactory {
    
    // 私有静态类
    private static class InstanceHolder {
        public static Instance instance = new Instance();
    }
    
    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance ; // 这里将导致InstanceHolder类被初始化
    }
}
```
假如发生重排序：

根据Java语言规范，在首次发生下列任意一种情况时，一个类或接口类型T将被立即初始化。

1）T是一个类，而且一个T类型的实例被创建。

2）T是一个类，且T中声明的一个静态方法被调用。

3）T中声明的一个静态字段被赋值。

4）T中声明的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段。

5）T是一个顶级类（Top Level Class，见Java语言规范的§7.6），而且一个断言语句嵌套在T 内部被执行。

四 Java并发编程基础

4.1 线程

4.1.1 线程的概念
- 进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度和分派的基本单位。
- 现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程。
  
  例如，启动一个Java程序，操作系统就会创建一个Java进程。
- 在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。
- 处理器在这些线程上高速切换，让使用者感觉到这些线程在同时执行。
4.1.2 线程的状态
1. New：创建线程
2. Runnable：Java把操作系统的运行和就绪统称为运行状态
3. Blocked：等待锁释放时候的阻塞状态
4. Waited：等待其他线程唤醒的等待状态
5. Timed_Waited：设置了超时时间的超时等待状态，超过时间后进入Runnable
6. Terminated：运行结束状态。
4.1.3 Daemon线程
- 支持型线程，用于程序后台调度和支持性工作。
- 如果Java虚拟机中不存在非Daemon线程（即全是Daemon线程），Java虚拟机就会退出。
4.2 启动和终止线程

4.2.1 构造线程
- 一个能够运行的线程对象就初始化好了，会在堆内存中等待着运行。
- 四种方式：
  - implements Runnable
  - extends Thread
  - implements Callable
  - 线程池
4.2.2 启动线程
- start() 方法的含义：当前线程通知Java虚拟机，只要线程规划器空闲，则立即启动start()里的方法。
4.2.3 线程中断
- 其他线程通过调用该线程的interrupt() 方法对其进行中断操作。
```
public static void main(String[] args) throws Exception {
    Runner one = new Runner();
    Thread countThread = new Thread(one, "CountThread");
    countThread.start();
    // 睡眠1秒，main线程对CountThread进行中断，使CountThread能够感知中断而结束
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    countThread.interrupt(); // main线程把CountThread线程中断
    ...
```
- 线程通过方法isInterrupted() 来进行判断是否被中断，也可以调用静态方法 Thread.interrupted() 对当前线程的中断标识位进行复位。如
4.2.4 优雅地终止线程
```
public class Shutdown {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Runner one = new Runner();
        Thread countThread = new Thread(one, "CountThread");
        countThread.start();
        // 睡眠1秒，main线程对CountThread进行中断，使CountThread能够感知中断而结束
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        countThread.interrupt();
        Runner two = new Runner();
        countThread = new Thread(two, "CountThread");
        countThread.start();
        // 睡眠1秒，main线程对Runner two进行取消，使CountThread能够感知on为false而结束
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        two.cancel();
    }
    
    private static class Runner implements Runnable {
        private long i;
        private volatile boolean on = true;
        
        @Override
        public void run() {
            while (on && !Thread.currentThread().isInterrupted()){
            i++;
        }
            
        System.out.println("Count i = " + i);
    }
            
    public void cancel() {
        on = false;
    }
}
```
- 这种通过标识位或者中断操作的方式能够使线程在终止时有机会去清理资源，而不是武断地将线程停止，因此这种终止线程的做法显得更加安全和优雅。
4.3 线程间通信

如果多个线程能够相互配合完成工作，这将会带来巨大的价值

4.3.1 volatile和synchronized实现线程通信

Java支持多个线程同时访问一个对象或者对象的成员变量，由于每个线程可以拥有这个变量的拷贝（虽然对象以及成员变量分配的内存是在共享内存中的，但是每个执行的线程还是可以拥有一份拷贝，这样做的目的是加速程序的执行，这是现代多核处理器的一个显著特性），所以程序在执行过程中，一个线程看到的变量并不一定是最新的。

volatile保证可见性
- 线程读取volatile修饰的变量，都必须从共享内存中获取
- 线程写volatile变量，都必须同步刷新到共享内存中。
举个例子：
1. 定义一个表示程序是否运行的成员变量boolean on=true
2. 那么另一个线程可能对它执行关闭动作（on=false）
3. 这里涉及多个线程对变量的访问，因此需要将其定义成为 volatile boolean on＝true
4. 这样其他线程对它进行改变时，可以让所有线程感知到变化，因为所有对on变量的访问和修改都需要以共享内存为准。
5. 但是，过多地使用volatile是不必要的，因为它会降低程序执行的效率。
synchronized

4.3.2 等待/通知机制
- 生产者-消费者
  - 生产者线程修改一个对象的值。
  - 消费者线程能感知到，然后进行相应的操作。
- java等待/通知方法
  - notify()：通知一个在对象上等待的线程，从wait方法返回；返回前提是获得了该对象的锁
    
    将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中
  - notifyAll()：通知所有等待在该对象上的线程
    
    将等待队列中所有的线程全部移到同步队列
  - wait()：使持有当前对象锁的线程进入等待状态，等待另外线程通知或者被中断。
    
    调用该方法会释放锁
  - wait(long n)：超时等待，等待n毫秒后，没有通知就超过返回。
  - wait(long n, int m)
- 当线程终止时，会调用线程自身的notifyAll()方法，会通知所有等待在该线程对象上的线程。
在图4-3中，
1. WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。
2. 由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。
3. NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行
4.3.3 管道输入/输出流

4.3.4 Thread.join()的使用
- 当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。
  - 每个线程终止的前提是前驱线程的终止，每个线程等待前驱线程终止后，才从join()方法返回。
4.3.5 ThreadLocal
- 线程变量
  - 键是ThreadLocal对象
  - 值是任意对象
4.4 线程应用实例

4.4.1 等待超时模式
```
// 对当前对象加锁
public synchronized Object get(long mills) throws InterruptedException {
    
    long future = System.currentTimeMillis() + mills;
    long remaining = mills;
    
    // 当超时大于0并且result返回值不满足要求
    while ((result == null) && remaining > 0) {
        wait(remaining);
        remaining = future - System.currentTimeMillis();
    }
    
    return result;
}
```
4.4.2 一个简单的数据库连接池示例
```
public class ConnectionPool {
    
    private LinkedList pool = new LinkedList();
    
    public ConnectionPool(int initialSize) {
        if (initialSize > 0) {
        for (int i = 0; i < initialSize; i++) {
            pool.addLast(ConnectionDriver.createConnection());
        }
    }
}
    
// 释放连接
public void releaseConnection(Connection connection) {
    if (connection != null) {
        synchronized (pool) {
            // 连接释放后需要进行通知，这样其他消费者能够感知到连接池中已经归还了一个连接
            pool.addLast(connection);
            pool.notifyAll();
        }
    }
}
    
// 在mills内无法获取到连接，将会返回null
public Connection fetchConnection(long mills) throws InterruptedException {
    
    synchronized (pool) {
        // 完全超时
        if (mills <= 0) {
            while (pool.isEmpty()) {
                pool.wait(); // 拿着pool锁的线程进入等待队列
            }
        
            return pool.removeFirst();
        } else {
            // 超时等待机制
            long future = System.currentTimeMillis() + mills;
            long remaining = mills;
            
            while (pool.isEmpty() && remaining > 0) {
                pool.wait(remaining);
                remaining = future - System.currentTimeMillis();
            }
            Connection result = null;
            if (!pool.isEmpty()) {
                result = pool.removeFirst();
            }
                
            return result;
            }
        }
    }
}
```
五 Java中的锁

5.1 Lock接口
1. 使用方式
```
Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
// 不要将lock.lock() 写在try内，否则上锁时出现异常会导致锁无故释放
try {

} finally {
    lock.unlock();
}
```
1. 比sychronized多的特性
1. 方法：
  - lock()
  - tryLock()：非阻塞的获取锁
  - tryLock(long time, TimeUnit unit)：超时非阻塞获取锁
  - unLock()
  - Condition()：获取等待通知组件，该组件和锁绑定，只有获取了锁，才能使用该组件中的wait()方法，而调用后，当前线程释放掉锁。
5.2 AQS

5.2.1 AQS接口和示例
- 队列同步器，用于构建锁和其他同步组件
- 基于模板方法
- 使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作
实现一个自定义独占锁：
```
/*
 * @description: 独占锁
 * @author: Finn
 * @create: 2022/07/09 14:12
 */
public class MyLock implements Lock {
    // 用AQS实现一个排他锁
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 是否处于占用状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 当状态为0的时候获取锁
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            // 用CAS方法把状态码state设为1
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                // 设置排他锁的拥有者
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 释放锁，将状态设置为0
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        // 返回一个Condition，每个condition都包含了一个condition队列
        Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }
    }

    private Sync sync = new Sync();

    // 调用该方法的线程获取锁
    @Override
    public void lock() {
        if (!sync.isHeldExclusively()) {
            sync.tryAcquire(1);
        }
    }

    // 可中断的获取锁，该方法可以响应中断，在锁的获取中可以中断线程，然后抛出异常
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    // 尝试非阻塞的获取锁，调用该方法后立即返回。
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    // 尝试超时非阻塞的获取锁。
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    // 释放锁
    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    // 获取等待通知组件，该组件和锁绑定，只有获取了锁，才能使用该组件中的wait()方法，而调用后，当前线程释放掉锁。
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}
```
5.2.2 AQS的实现
1. 同步队列
  - FIFO双向链表
    
    首节点
    
    首节点是获取同步方法成功的节点，当首节点释放锁后，会唤醒后继节点，后继节点获取同步状态并把自己设置为首节点。
    
    设置首节点是获取锁成功的节点来完成的。
    
    尾节点
    
    当前线程获取锁失败后，会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列的尾部；同时阻塞该线程。
    
    设置尾节点的方法通过CAS实现（因为加入队列必须要保证线程安全，否则会插乱掉），该方法传递当前线程认为的尾节点和当前节点：compareAndSetTail(Node expect, Node update)
- acquire（int arg) 方法对中断不敏感，如果线程被中断了，不会从同步队列中移除。
重入锁 ReentrantLock
- 支持一个线程对资源的重复加锁
  - 同一个线程调用lock()加锁以后，再次调用lock()，不会被自己阻塞
    
    synchronzied 隐式的支持可重入：synchronzied 修饰过的方法在进行递归调用时，线程仍可以多次获得该锁
- 可以实现公平锁
  - 最先请求获得锁的线程优先获得锁（即等待时间最长的线程最先获得锁）
实现可重入
1. 获取锁：线程在获得锁的时候，会判断是否是当前占据锁的线程，是的话，可以再次获得锁
2. 释放锁：锁维护一个计数器（c=getState(); c + acquires;），线程获得锁，计数自增，线程释放锁，计数自减。线程获得n次锁后，需要释放n次锁，其他线程才能再次获得这个锁。
实现公平锁

公平锁在尝试获得锁的时候，会调用hasQueuedPredecessors()来判断当前线程在同步队列中，是否有前驱节点，如果有的话，则有更早请求的线程

读写锁 ReentrantReadWriteLock
- 读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，而写锁会阻塞所有读锁和其他写锁
- 特性：
  - 支持非公平和公平的锁获取方式
  - 重进入
    
    读锁可再次获取读锁
    
    写锁可再次获取写锁，也可以再次获取读锁
  - 锁降级
    
    写锁可以降级为读锁
六 Java并发容器和框架

七 Java中的13个原子操作类

八 Java中的并发工具类

8.1 CountDownLatch

Latch：门闩

DownLatch：下锁

CountDownLatch：计数器锁存器（三二一，芝麻开门）
- CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
```
public class CountDownLatchTest {
    
    // 2表示计数器
    staticCountDownLatch c = new CountDownLatch(2);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(1);
                // 完成一个任务，计数器-1：此时计数器为1
                c.countDown();
                System.out.println(2);
                // 完成一个任务，计数器-1：此时计数器为0，主线程被唤醒
                c.countDown();
            }
        }).start();
        // 阻塞当前线程
        c.await();
        System.out.println("3");
    }
}
```
- 实现原理
  
  CountDownLatch是基于AbstractQueuedSynchronizer实现的，在AbstractQueuedSynchronizer中维护了一个volatile类型的整数state，volatile可以保证多线程环境下该变量的修改对每个线程都可见，并且由于该属性为整型，因而对该变量的修改也是原子的。创建一个CountDownLatch对象时，所传入的整数n就会赋值给state属性，当countDown()方法调用时，该线程就会尝试对state减一，而调用await()方法时，当前线程就会判断state属性是否为0，如果为0，则继续往下执行，如果不为0，则使当前线程进入等待状态，直到某个线程将state属性置为0，其就会唤醒在await()方法中等待的线程。
8.2 CyclicBarrier

Cyclic：可循环

Barrier：屏障

8.2.1 同步屏障CycliBarrier
- CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier（int parties），其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法高速CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
- 直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行
```
public class CyclicBarrierTest {
    staticCyclicBarrier c = new CyclicBarrier(2);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 告诉屏障该线程已经到达，该线程阻塞
                    c.await();
                } catch (Exception e) {
                }
                System.out.println(1);
            }
        }).start();
        try {
            c.await();
        } catch (Exception e) {
        }
        System.out.println(2);
    }
}
```
- 因为主线程和副线程都有可能先执行：所以结果可能是：1，2，也可能是2，1
8.2.2 应用场景

例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction用这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水
```
public class BankWaterService implements Runnable {
    /**
     * 创建4个屏障，处理完之后执行当前类的run方法
     */
    private CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(4, this);
    /**
     * 假设只有4个sheet，所以只启动4个线程
     */
    private Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
    /**
     * 保存每个sheet计算出的银流结果
     */
    private ConcurrentHashMap sheetBankWaterCount = new ConcurrentHashMap();
    
    private void count() {
        for (int i = 0; i< 4; i++) {
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 计算当前sheet的银流数据，计算代码省略
                    sheetBankWaterCount.put(Thread.currentThread().getName(), 1);
                    // 银流计算完成，插入一个屏障
                    try {
                        c.await();
                    } catch (InterruptedException |
                            BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
    
    @Override
    public void run() {
        
        int result = 0;
        
        // 汇总每个sheet计算出的结果
        for (Entrysheet : sheetBankWaterCount.entrySet()) {
            result += sheet.getValue();
        }
        
        // 将结果输出
        sheetBankWaterCount.put("result", result);
        System.out.println(result);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        BankWaterService bankWaterCount = new BankWaterService();
        bankWaterCount.count();
    }
}
```
8.2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
1. CountDownLatch计数器只能使用一次；而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。
2. CyclicBarrier还提供其他有用的方法
  - 比如getNumberWaiting方法可以获得Cyclic-Barrier阻塞的线程数量。
  - isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断。
8.3 信号量
- 信号量（Semaphore）是用来控制访问特定资源的线程数量
```
public class SemaphoreTest {
    
    private static final int THREAD_COUNT = 30;
    // 30个线程的线程池
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    // 10个信号量控制线程数
    private static Semaphore s = new Semaphore(10);
    
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 获取信号量
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}
```
上面虽然有30个线程，但是只允许10个并发执行。

8.4 Exchanger
- Exchanger工具类用于线程间交换数据
九 Java线程池

使用线程池的好处：
1. 降低资源消耗：线程可以重复利用，降低线程创建和销毁的消耗
2. 提高响应速度：任务不用等待线程创建就可以执行
3. 提高线程可管理性：使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
9.1 线程池的工作流程

9.2 创建线程池
```
new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, timeUnit, taskQueue, threadFactory, handler);
```
1. corePoolSize：核心线程数
  - 当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
2. maximumPoolSize：最大线程数。
3. keepAliveTime：空闲线程的存活时间。
4. timeUnit：时间单位。
5. taskQueue：任务队列。
  - ArrayBlockingQueue：基于数组的FIFO队列
  - LinkedBlockingQueue：基于链表的FIFO队列
  - PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。
  - SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态
6. threadFactory：设置创建线程工厂，可以通过线程工厂来给线程设置有意义的名字。
7. handler：拒绝策略
  - AbsortPolicy：直接抛出异常。
  - CallerRunsPolicy：用调用者所在线程来执行任务（谁调用，谁处理）。
  - DiscardOldestPolicy：把最早加入队列的任务丢弃，然后加入新任务。
  - DiscardPolicy：直接丢弃任务。
9.3 向线程池提交任务
1. execute
  - 没有返回值
2. submit
  - 有返回值，返回一个Future类型的对象。通过future.get()可以判断任务是否成功
9.4 线程池关闭

原理：遍历工作线程，然后调用 interrupt() 方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。
- shutdown()
- shutdownNow()
  - 先将线程池状态设为 STOP，再去中断线程
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原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_41664064/article/details/127742044

多线程 | 《Java 并发编程艺术》的学习

Java多线程并发

一 并发编程的挑战

1.1 上下文切换

二 Java并发机制底层原理

2.1 volatile

2.2 synchronized

2.3 原子操作

三 Java内存模型

3.1 线程通信

3.2 final域的内存语义

3.3 happens-before

3.4 双重检查锁定与延迟初始化

四 Java并发编程基础

4.1 线程

4.2 启动和终止线程

4.3 线程间通信

4.4 线程应用实例

五 Java中的锁

5.1 Lock接口

5.2 AQS

重入锁 ReentrantLock

读写锁 ReentrantReadWriteLock

六 Java并发容器和框架

七 Java中的13个原子操作类

八 Java中的并发工具类

8.1 CountDownLatch

8.2 CyclicBarrier

8.3 信号量

8.4 Exchanger

九 Java线程池

9.1 线程池的工作流程

9.2 创建线程池

9.3 向线程池提交任务

9.4 线程池关闭

一并发编程的挑战