JUC并发编程(一) --- 多线程回顾,Synchronized和Lock锁,Condition线程通信,八锁问题

本文介绍了Java并发编程的基础知识,包括JUC概述、线程与进程的区别、线程状态、synchronized与Lock锁的使用、线程通信以及线程同步的经典问题。详细讲解了synchronized与Lock的区别,如锁的释放、可判断性以及公平性,并通过8个锁问题实例深入理解其应用。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

1、JUC简介

JUC是java.util.concurrent的缩写,即concurrent包下的所有东西,非常重要

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在学习JUC前需要对Java多线程进行回忆并补充

2、线程和进程

进程和线程 详见操作系统

  • 进程:就是一个正在运行的程序实例,进程是线程的容器
  • 线程:一个程序中不同的功能可能由不同的线程并行执行,例如:打开QQ,你这边和A聊天,那边和B聊天
    • 对java而言:java默认有2个线程:main线程gc线程
    • 基类:ThreadRunnableCallable

对于Java而言,真的能开启线程吗? 不行

Thread的start()方法底层调用的是native关键字的本地方法start0(),底层是c++,java无法直接操作硬件

并发与并行

  • 并发concurrency: 即多线程操作同一个资源
    • CPU 一核,模拟多条线程,交替访问资源
  • 并行parallellism: 多个人一块行走(线程池)
    • CPU 多核,多条线程在不同核心上同一时刻执行

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**并发编程的本质:**为了充分利用CPU的资源

线程的状态

操作系统中的五大状态

  1. 创建状态: 进程由创建产生,首先申请一个空白的PCB控制块,像PCB块中填写相应信息,然后分配所需的资源,最后转为就绪状态插入就绪队列中。
  2. 就绪状态: 已经准备好可以运行的状态,只要获得cpu就可以立即执行,进入运行状态。
  3. 运行状态: 已经获得cpu的进程,处于正在执行的状态
  4. 阻塞状态: 在执行过程中,缺少资源(如I/O请求),无法继续执行,即进入阻塞态,cpu调度将该阻塞的进程移到阻塞队列,再从就绪队列中调一个运行
  5. 终止状态: 进程的任务完成,到达自然结束点,操作系统将其PCB清空,并返还给系统

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Java中源码分为六个状态

查看源码枚举类:State

public enum State {
    // 新生
    NEW,
    // 运行
    RUNNABLE,
    // 阻塞
    BLOCKED,
    // 等待,死死地等
    WAITING,
    // 超时等待
    TIMED_WAITING,
    // 终止
    TERMINATED;
}
  1. 新生(NEW): 新创建了一个线程但是没调用start()方法,即尚未启动的线程
  2. 运行态(RUNNABLE): Java将线程中**就绪(ready)运行(running)**中的两种状态笼统地称为运行
  3. 阻塞态(BLOCKED): 一个线程因为等待临界区的锁被阻塞产生的状态
  4. 等待(WAITING): 正在等待另一个线程做出一些特定动作:如通知或者中断
  5. 超时等待(TIMED_WAITING): 在waiting基础上加了超时时间,可以在指定时间到达后自行返回
  6. 终止(TERMINATED): 表示线程执行结束,退出

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wait和sleep的区别

1、来自不同的类

wait:wait是Object类下的

sleep:sleep是线程Thread类独有的

2、锁的释放

wait:会释放锁

sleep:不会释放锁,抱着锁睡觉

3、使用范围不同

wait:只能在同步代码块或同步方法中使用

sleep:在任何地方都能使用

4、是否需要捕获异常

wait:不需要

sleep:必须捕获异常InterpretedException

3、线程锁

3.1 synchronized

真正的开发,线程就是一个单独的资源类,用方法进行资源的使用

public class SynchronizedDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //多个线程操作一个资源类:Ticket
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"C").start();

    }
}
// 资源类 OOP
class Ticket {
    // 属性、方法
    private int number = 30;
    // 卖票的方式
    // synchronized 本质: 队列,锁
    public synchronized void sale(){
        if (number>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"买到了第"+(number--)+"张票,剩余:"+number);
        }
    }
}

3.2 Lock

Lock使用的三步:

  • new ReentrantLock(); new一个锁
  • lock.lock(); 加锁
  • finally => lock.unlock(); 在finally里解锁

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public class LockDemo {
    
    static class Ticket{
        private int number = 30;
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        public void sale(){
            //进入方法时加锁
            lock.lock();
            try {
                if (number>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"买到了第"+(number--)+"张票,剩余:"+number);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                //在结束时释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"C").start();

    }
}

注:

ReentrantLock默认(无参构造)是非公平锁

可以通过有参构造改为公平锁

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  • 公平锁:先来后到,不允许插队
  • 非公平锁:可以插队

3.3 Synchronized和Lock区别

  1. Synchronized 内置的Java关键字, Lock 是一个Java类
  2. Synchronized 无法判断获取锁的状态,Lock 可以判断是否获取到了锁
  3. Synchronized 会自动释放锁,lock 必须要手动释放锁
  4. Synchronized 线程1(获得锁,阻塞)线程2(等待,傻傻的等;Lock锁就不一定会等待下去;
  5. Synchronized 可重入锁,不可以中断的,非公平锁;Lock ,可重入锁,可以 判断锁,非公平(可以 自己设置);
  6. Synchronized 适合锁少量的代码同步问题,Lock 适合锁大量的同步代码

4、线程通信

线程通信经典问题:生产者消费者问题

4.1 Synchronized版

if判断的问题

public class SynchronizedDemo {
    //资源类
    static class Data{
        private int num = 0;

        //加一操作
        public synchronized void increment() throws InterruptedException {
            if (num!=0){//需要改为while,后续会讲
                this.wait();
            }
            num++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
            //+1操作执行完成提醒其他线程,自己加一操作完毕了
            this.notifyAll();
        }

        //减一操作
        public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
            if (num==0){//需要改为while,后续会讲
                this.wait();
            }
            num--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
            //+1操作执行完成提醒其他线程,自己加一操作完毕了
            this.notifyAll();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                try {
                    data.increment();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                try {
                    data.decrement();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"D").start();
    }

}

出现问题:虚假唤醒

image-20220106115511509 原因:查看jdk文档

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if判断改为while判断

    //加一操作
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        while(num!=0){//需要改为while,后续会讲
            this.wait();
        }
        num++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
        //+1操作执行完成提醒其他线程,自己加一操作完毕了
        this.notifyAll();
    }

    //减一操作
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        while(num==0){//需要改为while,后续会讲
            this.wait();
        }
        num--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
        //+1操作执行完成提醒其他线程,自己加一操作完毕了
        this.notifyAll();
    }

}

4.2 JUC版线程通信

  • Synchronized使用waitnotify
  • Lock使用Condition类下的awaitsignal

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怎么使用:

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用Lock类下的newCondition()方法

基本使用

public class LockDemo {
    static class Data{
        private int num = 0;
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition = lock.newCondition();
        //加一操作
        public void increment(){
            lock.lock();
            try {
                while (num!=0){
                    condition.await();
                }
                num++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
                //+1操作执行完成提醒其他线程,自己加一操作完毕了
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        //减一操作
        public void decrement(){
            lock.lock();
            try {
                while (num==0){
                    condition.await();
                }
                num--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+num);
                //-1操作执行完成提醒其他线程,自己减一操作完毕了
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                data.increment();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                data.decrement();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                data.increment();
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1;i<=10;i++) {
                data.decrement();
            }
        },"D").start();

    }
}

同样的:

判断需要用while而不是if

Condition精准通知和唤醒

实现:A唤醒B,B唤醒C,C唤醒A

package com.bandit.JUCConsumerAndProducer;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author Bandit
 * @create 2022/1/6 12:16
 */
public class LockDemo02 {
    static class Data{
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition1 = lock.newCondition();
        private Condition condition2 = lock.newCondition();
        private Condition condition3 = lock.newCondition();
        private int number = 1; // 1A 2B 3C

        public void printA(){
            lock.lock();
            try {
                // 业务,判断-> 执行-> 通知
                while (number!=1){
                // 等待
                    condition1.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>AAAAAAA");
                // 唤醒,唤醒指定的人,B
                number = 2;
                condition2.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public void printB(){
            lock.lock();
            try {
                // 业务,判断-> 执行-> 通知
                while (number!=2){
                    // 等待
                    condition2.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>BBBBBBBB");
                // 唤醒,唤醒指定的人,B
                number = 3;
                condition3.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public void printC(){
            lock.lock();
            try {
                // 业务,判断-> 执行-> 通知
                // 业务,判断-> 执行-> 通知
                while (number!=3){
                    condition3.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>CCCCCCCCC");
                // 唤醒,唤醒指定的人,A
                number = 1;
                condition1.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                data.printA();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                data.printB();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                data.printC();
            }
        },"C").start();
    }
}

5、8锁问题

深刻理解锁

例一、二:

1、标准情况下,两个线程先打印 发短信还是 打电话? 发短信

2、sendSms延迟4秒,两个线程先打印 发短信还是 打电话? 发短信

/**
 * 1、标准情况下,两个线程先打印 发短信还是 打电话?       发短信
 * 2、sendSms延迟4秒,两个线程先打印 发短信还是 打电话?     发短信
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args){
        Phone phone = new Phone();
        new Thread(()->{
            phone.sendSms();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(()->{
            phone.call();
        },"B").start();
    }
	
   /**
    *例一 的Phone
    */
    static class Phone{
        public synchronized void sendSms(){
            System.out.println("sendSms");
        }
        public synchronized void call(){
            System.out.println("call");
        }
    }
   /**
    *例二 的Phone
    */
    static class Phone{
        public synchronized void sendSms(){
            try {//在发短信前sleep,看看谁先执行
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("sendSms");
        }
        public synchronized void call(){
            System.out.println("call");
        }
    }
}

解释: synchronized 锁的对象是方法的调用者。 两个方法用的是同一个锁,谁先拿到谁执行!

此处A先拿到锁,无论A睡多少秒都是A先执行

例三:

3、新增一个普通方法,先执行hello还是发短信? hello

/**
 * 3、新增一个普通方法,先执行hello还是发短信?            hello
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args){
        Phone phone = new Phone();
        new Thread(()->{
            phone.sendSms();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(()->{
            phone.hello();
        },"A").start();
    }
   /**
    *例三 的Phone
    */
    static class Phone{
        public synchronized void sendSms(){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("sendSms");
        }
        public synchronized void call(){
            System.out.println("call");
        }
        public void hello(){
            System.out.println("hello");
        }
    }
}

hello是非同步方法,异步执行,发短信要等4秒,hello只要等1秒,所有hello先执行

例四:

4、 两个对象,两个同步方法, 发短信还是 打电话? 打电话

/**
 * 4、 两个对象,两个同步方法, 发短信还是 打电话? // 打电话
 */
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 两个对象,两个调用者,两把锁!
        Phone phone1 = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();
        //锁的存在
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }

    static class Phone{
        public synchronized void sendSms(){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("发短信");
        }
        public synchronized void call(){
            System.out.println("打电话");
        }
        public void hello(){
            System.out.println("hello");
        }
    }
}

解释: synchronized锁的是方法的调用者,两个对象的锁不一样,所以互不影响,先执行打电话再发短信

例五、六:

5、增加两个静态的同步方法,只有一个对象,先打印 发短信?打电话? 发短信

6、两个对象!增加两个静态的同步方法, 先打印 发短信?打电话? 发短信

/**
 * 5、增加两个静态的同步方法,只有一个对象,先打印 发短信?打电话?    发短信
 * 6、两个对象!增加两个静态的同步方法, 先打印 发短信?打电话?      发短信
 */
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone1 = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

/*
        new Thread(()->{
            phone1.call();
        },"B").start();
*/
        
        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }

    static class Phone{
        //加上static修饰,类一加载就锁上了,
        //static锁的是  Class 模板,类锁
        public static synchronized void sendSms(){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("发短信");
        }
        public static synchronized void call(){
            System.out.println("打电话");
        }
    }
}

解释: 加上static的synchronized 是类锁,类一加载就有了,无论几个对象都是用的一把锁,

所以是先发短信再打电话

例七、八:

7、1个静态的同步方法,1个普通的同步方法 ,一个对象,先打印 发短信?打电话? 打电话

8、1个静态的同步方法,1个普通的同步方法 ,两个对象,先打印 发短信?打电话? 打电话

/**
 * 7、1个静态的同步方法,1个普通的同步方法 ,一个对象,先打印 发短信?打电话?
 * 8、1个静态的同步方法,1个普通的同步方法 ,两个对象,先打印 发短信?打电话?
 */
public class Test4 {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone1 = new Phone();
        Phone phone2 = new Phone();
        new Thread(()->{
            phone1.sendSms();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

/*
        new Thread(()->{
            phone1.call();
        },"B").start();
*/

        
        new Thread(()->{
            phone2.call();
        },"B").start();
    }

    static class Phone{
        //静态同步方法  锁的是Class类模板
        public static synchronized void sendSms(){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("发短信");
        }
        //普通同步方法  锁的是方法的调用者
        public synchronized void call(){
            System.out.println("打电话");
        }
    }

}

解释: 静态同步方法锁的是Class类模板,普通同步方法锁的是方法的调用者

两个方法对应的是两把锁,不影响,所以先打电话再发短信

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