【Java编程的思想】并发总结_readwritelock copyonwirtearraylist concurrenthashm-优快云博客

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本文详细介绍了线程安全的各种机制，包括synchronized关键字、显式锁、volatile变量、原子变量和CAS、写时复制、ThreadLocal等。同时，还探讨了线程之间的协作机制，如wait/notify、显式条件、线程中断以及各种协作工具类。

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线程安全的机制

线程表示一条单独的执行流，每个线程有自己的执行计数器，有自己的栈，但可以共享内存，共享内存是实现线程协作的基础，但共享内存有两个问题：竞态条件和内存可见性。

synchronized

synchronized是一个关键字，既可以解决竞态问题，也可以解决内存可见性问题

synchronized保护的是对象，而不是代码，只有对同一个对象的synchronized方法调用，synchronized才能保证它们被顺序调用。对于实例方法，这个对象是this；对于静态方法，这个对象是类对象；对于代码块，需要指定哪个对象

synchronized不能尝试获取锁，也不能响应中断，还可能会死锁。相比于显式锁，synchronized简单易用，JVM也在不断优化它的实现

显式锁

显式锁是相当于synchronized隐式锁而言的，它可以实现synchronized同样的功能，但需要程序自己创建锁，调用锁相关接口，主要接口是Lock，主要实现类是ReentrantLock。

相比synchronized，显式锁支持以非阻塞方式获取锁，可以响应中断，可以限时，可以指定公平性，可以解决死锁问题，所以更加的灵活。

在一些读多写少、读操作可以完全并行的场景中，可以使用读写锁以提高并发度，读写锁的接口是ReadWriteLock，实现类是ReentrantReadWriteLock。

volatile

synchronized和显式锁都是锁，使用锁可以实现安全，但使用锁是有成本的，获取不到锁的线程还需要等待，会有线程的上下文切换开销等。
如果共享的对象只有一个，操作也只是进行最简单的get/set操作，set也不依赖于之前的值，那就不存在竞态条件问题，而只有内存可见性问题，这时，在变量的声明上加上关键字volatile就可以了。

volatile和synchronized的区别：

volatile 仅能使用在变量级别； synchronized 则可以使用在实例方法、静态方法和代码块。
volatile 仅能实现变量的修改可见性，并不能保证原子性；synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性
volatile 不会造成线程的阻塞；synchronized 可能会造成线程的阻塞。
volatile 标记的变量不会被编译器优化； synchronized 标记的变量可以被编译器优化

原子变量和CAS

使用volatile，set的新值不能依赖于旧值，但很多时候，set的新值与原来的值有关，同时也不一定需要锁，这个时候就可以考虑原子变量。它们包含了一些以原子方式实现组合操作的方法。

原子变量的基础是CAS，一般的计算机系统都在硬件层次上直接支持CAS指令。相对于synchronized，它是乐观的，而synchronized是悲观的。

写时复制

之所有会有线程安全的问题，是因为多个线程并发读写同一个对象，如果每个线程读写的对象都是不同的，或者如果共享访问的对象是只读的，不能修改，那就不存在线程安全问题了。

写时复制就是将共享访问的对象变为只读的，写的时候再使用锁，保证只有一个线程写，写的线程不是直接修改原对象，而是新创建一个对象，对该对象修改完毕后，再原子性地修改共享访问的变量，让它指向新的对象。

ThreadLocal

ThreadLocal让每个线程对同一变量，都有自己的独有副本。每个线程实际访问的对象都是自己的，自然也就不存在线程安全问题。

线程的协作机制

常见的协作场景：生产者/消费者协作模式、主从协作模式、同时开始、集合点等

wait/notify

wait/notify与synchronized配合一起使用，是线程的基本协作机制。
每个对象都有一把锁和两个等待队列，一个是锁等待队列，放的是等待获取锁的线程；另一个是条件等待队列，放的是等待条件的线程。wait将自己加入条件等待队列，notify从条件队列上移除一个线程并唤醒，notifyAll移除所有线程并唤醒。

wait/notify方法只能在synchronized代码块内被调用，调用wait时，线程会释放对象锁，被notify/notifyAll唤醒后，需要重新竞争锁，获取到锁后才会从wait调用中返回。

显式条件

显式条件和显式锁配合使用，与wait/notify相比，可以支持多个条件队列，代码更为易读，效率更高。

线程中断

线程中断并不是强迫终止一个线程，它是一种协作机制，是给线程传递一个取消信号，但是由线程来决定如何以及何时退出，线程在不同状态和IO操作时对中断有不同的反应。

协作工具类

信号量Semaphore用于限制对资源的并发访问数

倒计时门闩CountDownLatch主要用于不同角色线程间的同步，比如：同时开始多个线程；主线程等待多个从线程的结果

循环栅栏CyclicBarrier用于同一角色线程间的协调一致，所有线程在到达栅栏后都需要等待其他线程，等所有线程都到达后再一起通过，它是可以循环的。

阻塞队列

阻塞队列封装了锁和条件，常用于生产者/消费者协作模式，只需要调用队列的入队/出队方法就可以了

无锁非阻塞并发队列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
普通阻塞队列：基于数组的ArrayBlockingQueue，基于链表的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
优先级阻塞队列：PriorityBlockingQueue
延时阻塞队列：DelayQueue
其他阻塞队列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue

Future/FutureTask

Future是一个接口，主要实现类是FutureTask。
Future封装了调用线程和执行线程关于执行状态和结果的同步，对于调用线程而言，它只需要通过Future就可以查询异步任务的状态、获取最终结果、取消任务等。
在常见的主从协作模式中，主线程往往需要获取子线程的结果，就可以使用Future

容器类

线程安全的容器有两类：同步容器；并发容器

同步容器

Collections类中有一些静态方法，可以基于普通容器返回线程安全的同步容器

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c);
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list);
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

它们是给所有容器方法都加上synchronized来实现安全的。
同步容器的性能比较低，这里的线程安全针对的是容器对象，指的是当多个线程并发访问同一个容器对象时，不需要额外的同步操作。

并发容器

写时复制的List和Set

CopyOnWriteArrayList实现了List接口，它的用法与其他的List基本是一样的。CopyOnWirteArrayList的内部也是一个数组，但这个数组是以原子方式被整体更新的。每次修改操作，都会新建一个数组，复制原数组的内容到新数组，在新数组上进行需要的修改，然后以原子方式设置内部的数组引用。
CopyOnWriteArraySet实现了Set接口，不包含重复的元素。内部是通过CopyOnWriteArrayList实现的

CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet适用于读远多于写、集合不太大的场景。它们是以优化读操作为目标的，读不需要同步，性能很高。