Disruptor—2.并发编程相关简介

大纲

1.并发类容器

2.volatile关键字与内存分析

3.Atomic系列类与UnSafe类

4.JUC常用工具类

5.AQS各种锁与架构核心

6.线程池的最佳使用指南

1.并发类容器

(1)ConcurrentMap

(2)CopyOnWrite容器

(3)ArrayBlockingQueue

(4)LinkedBlockingQueue

(5)SynchronousQueue

(6)PriorityBlockingQueue

(7)DelayQueue

(1)ConcurrentMap

ConcurrentMap是Map的子接口，是高并发下线程安全的Map集合。ConcurrentMap有两个实现类：

ConcurrentHashMap
ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap采取了分段锁的技术来细化锁的粒度，把整个Map划分为一系列Segment的组成单元，一个Segment相当于一个小的HashTable。

ConcurrentSkipListMap的底层是通过跳表来实现的，跳表是一个链表，其插入、读取数据的复杂度为O(logn)。

(2)CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。当我们往一个容器中添加元素时，不直接往容器中添加，而是将当前容器进行copy，复制出来一个新的容器。然后向新容器中添加需要的元素，最后将原容器的引用指向新容器。这样做的好处是：可在并发场景下对容器进行读操作而无需加锁，从而实现读写分离。

Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器，分别是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器适用于读多写少 + 元素不会特别多的场景。

(3)ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞队列，其内部是用数组存储元素的，初始化时需要指定容量大小，利用ReentrantLock实现线程安全。

(4)LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个基于链表实现的阻塞队列。默认情况下，该阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE。由于这个数值特别大，所以LinkedBlockingQueue也被称作无界队列，代表它几乎没有界限，队列可以随着元素的添加而动态增长。但是如果没有剩余内存，则队列将抛出OOM错误。所以为了避免队列过大造成机器负载或者内存爆满的情况出现，在使用LinkedBlockingQueue时建议手动传一个队列的大小。

LinkedBlockingQueue内部由单链表实现，只能从head取元素，从tail添加元素。并且采用两把锁的锁分离技术实现入队出队互不阻塞，添加元素和获取元素都有独立的锁。也就是说LinkedBlockingQueue是读写分离的，读写操作可以并行执行。

(5)SynchronousQueue

SynchronousQueue是无缓冲阻塞队列，用来在两个线程之间移交元素。它并不是真正的队列，不维护存储空间，而维护一组线程，这些线程在等待放入或移出元素。

SynchronousQueue是一种极为特殊的阻塞队列，它没有实际的容量。任意线程都会等待获取到数据或者交付完数据才会返回，这里任意线程指的是生产者线程或者消费者线程。生产类型的操作比如put、offer，消费类型的操作比如poll、take。一个生产者线程的使命是将线程中的数据交付给另一个消费者线程，而一个消费者线程则是等待一个生产者线程中的数据。

(6)PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是带优先级的无界阻塞队列，每次出队都返回优先级最好或最低的元素，内部是平衡二叉树的实现。

(7)DelayQueue

DelayQueue是一个无界阻塞队列，用于放置实现了Delayed接口的对象，其中的对象只能在其到期时才能从队列中取走。这种队列是有序的，即队头对象的延迟到期时间最长，注意不能将null元素放置到这种队列中。

2.volatile关键字与内存分析

(1)volatile关键字的作用

(2)volatile的内存分析

(1)volatile关键字的作用

作用一：多线程间的可见性

作用二：阻止指令重排序

那些支持热部署、支持动态更新的框架会大量使用volatile关键字。此外，ZooKeeper的Watcher机制也可以支持对配置的动态感知。

(2)volatile的内存分析

3.Atomic系列类与UnSafe类

(1)Atomic与UnSafe类的关系

(2)UnSafe类的四大作用

(1)Atomic与UnSafe类的关系

Atomic系列类提供了原子性操作，保证了多线程下的并发安全，Atomic底层是通过调用UnSafe类的CAS方法来实现原子性操作的。

由于UnSafe类可以直接访问操作系统底层硬件，而Java没办法直接访问操作系统底层，所以需借助UnSafe类来实现CAS。

(2)UnSafe类的四大作用

作用一：进行内存操作，比如UnSafe类的allocateMemory()和freeMemory()方法等。

作用二：字段的定位与修改，比如UnSafe类的getInt()和putInt()方法等。

作用三：挂起与恢复线程，比如JDK的LockSupport类，会通过UnSafe类的park()和unpark()方法实现挂起和恢复线程。

作用四：CAS操作(乐观锁)，比如UnSafe类的compareAndSwapObject()系列方法就实现了CAS操作。

4.JUC常用工具类

(1)CountDownLatch和CyclieBarrier

(2)Future模式与Callable接口

(3)Exchanger线程数据交换器

(4)ForkJoin并行计算

(5)Semaphore信号量

(1)CountDownLatch和CyclieBarrier

CountDownLatch主要是阻塞一个线程，即阻塞当前的线程，然后调用countdown()方法减到0时就会唤醒阻塞的当前线程。

CountDownLatch和CyclicBarrier的区别：CountDownLatch是一次的阻塞、一个线程的阻塞。比如new一个CountDownLatch时设置为3，当前线程调用await()方法被阻塞，那么必须有线程总共调用3次countdown()方法，当前线程才能继续往下执行。

CyclieBarrier也可以设置一个阈值，比如这个阈值设置为5。有5个线程都调用await()方法，当这5个线程全部准备就绪后才一起往下。

(2)Future模式与Callable接口

Future模式用于让当前线程异步去提交工作，然后进行等待，等到负责异步回调的线程真正执行完之后，当前线程通过调用get()方法就能获取到数据。

(3)Exchanger线程数据交换器

Exchanger可以实现两个线程间的数据的交换，Exchanger通常用于一些对账场景。比如线程A和线程B同时接收同样的数据，进行磁盘IO读写等操作。线程A和线程B执行完都有一个结果，可通过Exchanger对比结果是否一致。

(4)ForkJoin并行计算

ForkJoin的核心就是通过递归拆分将一个大任务拆分成若干的小任务，然后对这些拆分的小任务进行并行计算，接着通过join()整合计算结果，最后计算出统计的结果。

(5)Semaphore信号量

Semaphore可以控制能够同时进行并发访问的线程数量，比如设置了Semaphore最多允许5个线程可以并发进行访问。如果出现20个线程，那么会有15个线程进入Semaphore的AQS对列。

5.AQS各种锁与架构核心

(1)ReentrantLock重入锁

(2)ReentrantReadWriteLock读写锁

(3)Condition条件判断

(4)LookSupport基于线程的锁

(5)AQS架构简介

(6)ReentrantLock底层原理简介

(7)CountDownLatch底层原理简介

(1)ReentrantLock重入锁

ReentrantLock是基于AQS的，AQS的两大核心：一是共享变量state，二是CLH等待队列。重入指的是同一个线程可以反复获得这个ReentrantLock。

Object锁要配合Synchronized + wait() + notify()来实现线程间的阻塞唤醒，而且需要注意的是：wait()方法会释放锁，notify()方法不会释放锁。

ReentrantLock可以通过Condition来实现线程间的阻塞和唤醒，比如使用Condition的await()方法和signal()方法，而且需要注意的是：await()方法会释放锁，signal()方法不会释放锁。

(2)ReentrantReadWriteLock读写锁

ReentrantReadWriteLock也是基于AQS的，可以实现读写分离。

(3)Condition条件判断

Condition条件判断是配合ReentrantLock或者ReentrantReadWriteLock使用的，可以使用类似于Synchronized锁下的wait()方法和notify()方法进行线程阻塞与唤醒。

(4)LookSupport基于线程的锁

LookSupport有两个关键的方法：park()和unpark()。LookSupport的这两个方法会调用UnSafe类中的park()和unpark()方法，分别用来挂起指定线程和唤醒指定线程。

注意：LookSupport唤醒和挂起线程的顺序并没有先后关系，也就是对于同一个线程，先执行unpark()再执行park()也不会影响。

(5)AQS架构简介

一.AQS维护了一个state和一个线程等待队列

其中volatile int state代表着共享资源，多线程争用资源被阻塞时会进入一个FIFO线程等待队列。

二.AQS定义了独占和共享两种资源处理方式

比如ReentrantLock使用的是Exclusive独占的方式，Semaphore使用的是Share共享的方式。

三.AQS的核心方法

isHeldExclusively()方法：

判断线程是否正在独占资源。

tryAcquire()和tryRelease()方法：

表示以独占的方式尝试获取和释放资源。

tryAcquireShared()和tryReleaseShared()方法：

表示以共享的方式尝试获取和释放资源。

(6)ReentrantLock底层原理简介

首先state会初始化为0，表示未锁定状态。当线程A调用ReentrantLock的lock()方法时，会触发调用tryAcquire()方法以独占方式获取锁并将state + 1。此后其他线程调用tryAcquire()方法时就会失败，直到线程A调用ReentrantLock的unlock()方法释放锁(将state减为0)为止。线程A在释放锁之前，可以重复获取锁，重复获取锁时，state会累加，这就是可重入的原理。但获取锁多少次(重入锁多少次/state累加了多少次)，就要释放锁多少次，这样才能保证state能回到初始值为0的时候。

(7)CountDownLatch底层原理简介

如果任务分为N个子线程去执行，那么state会初始化为N。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完就会countdown()一次。每countdown()一次，state就会通过CAS减1。等所有子线程都执行完后(即state=0)，会调用unpark()方法唤醒线程，然后主线程从await()方法中返回，继续后面的处理。

public class TestSynchronized {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object lock = new Object();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A开始计算");
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    sum += i;
                }
                synchronized (lock) {
                    try {
                        System.out.println("线程A先进行阻塞，等待被唤醒");
                        //wait()会阻塞线程A，并且释放synchronized锁
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("线程A计算出的结果sum: " + sum);
            }
        });
        System.out.println("主线程启动线程A");
        threadA.start();
        Thread.sleep(2000);
  
        synchronized (lock) {
            System.out.println("主线程唤醒线程A");
            //唤醒阻塞的线程A
            lock.notify();
        }
    }
}
//执行程序输出的结果如下：
//主线程启动线程A
//线程A开始计算
//线程A先进行阻塞，等待被唤醒
//主线程唤醒线程A
//线程A计算出的结果sum: 45

public class ConditionTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println("第一个线程加锁");
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    sum += i;
                }
                try {
                    System.out.println("第一个线程释放锁以及阻塞等待");
                    condition.await();
                    System.out.println("第一个线程被唤醒重新获取锁");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("第一个线程计算出的结果sum: " + sum);
                lock.unlock();
                System.out.println("第一个线程释放锁");
            }
        }.start();
        Thread.sleep(3000);
        new Thread() {
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println("第二个线程加锁");
                System.out.println("第二个线程唤醒第一个线程");
                condition.signal();
                lock.unlock();
                System.out.println("第二个线程释放锁");
            }
        }.start();
    }
}
//执行程序输出的结果如下：
//第一个线程加锁
//第一个线程释放锁以及阻塞等待
//第二个线程加锁
//第二个线程唤醒第一个线程
//第二个线程释放锁
//第一个线程被唤醒重新获取锁
//第一个线程计算出的结果sum: 45
//第一个线程释放锁

public class LockSupportTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A开始运行");
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    sum += i;
                }
                System.out.println("挂起线程A");
                LockSupport.park();
                System.out.println("线程A被唤醒，输出计算出结果sum: " + sum);
            }
        });
        threadA.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("唤醒线程A");
        LockSupport.unpark(threadA);
    }
}
//执行程序输出的结果如下：
//线程A开始运行
//挂起线程A
//唤醒线程A
//线程A被唤醒，输出计算出结果sum: 45

public class Review {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A开始运行");
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    sum += i;
                }
                try {
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程A然后再被挂起");
                LockSupport.park();
                System.out.println("线程A还是会被唤醒，输出计算出结果sum: " + sum);
            }
        }); 
        threadA.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("主线程先唤醒线程A");
        LockSupport.unpark(threadA);
    }
}
//执行程序输出的结果如下：
//线程A开始运行
//主线程唤醒线程A
//挂起线程A
//线程A被唤醒，输出计算出结果sum: 45

6.线程池的最佳使用指南

(1)Excutors工厂类

(2)ThreadPoolExecutor自定义线程池

(3)如何确定线程池的线程数量

(4)如何正确使用线程池

(1)Excutors工厂类

Excutors提供了很多方法，比如newFixedThreadPool()等。但是不建议使用Excutors工厂类里的创建线程池方法，因为这些创建线程池的方法里很多都没有界限限制的，存在安全隐患。比如使用newFixedThreadPool()方法创建线程池时，没有限制阻塞队列长度。比如使用newCachedThreadPool()方法创建线程池时，没有限制线程数量。

(2)ThreadPoolExecutor自定义线程池

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    ...
    //@param corePoolSize:
    //the number of threads to keep in the pool, even if they are idle, 
    //unless allowCoreThreadTimeOut is set
    //@param maximumPoolSize:
    //the maximum number of threads to allow in the pool
    //@param keepAliveTime:
    //when the number of threads is greater than the core, 
    //this is the maximum time that excess idle threads will wait for new tasks before terminating.
    //@param unit:
    //the time unit for the keepAliveTime argument
    //@param workQueue:
    //the queue to use for holding tasks before they are executed.
    //This queue will hold only the Runnable tasks submitted by the execute method.
    //@param threadFactory:
    //the factory to use when the executor creates a new thread
    //@param handler
    //the handler to use when execution is blocked because the thread bounds and queue capacities are reached
    public ThreadPoolExecutor(
            //核心线程数
            int corePoolSize,
            //最大线程数
            int maximumPoolSize,
            //空闲线程的回收时间
            long keepAliveTime,
            TimeUnit unit,
            //存放任务的队列
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,
            //线程工厂
            ThreadFactory threadFactory,
            RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 || maximumPoolSize <= 0 || maximumPoolSize < corePoolSize || keepAliveTime < 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ? null : AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;//拒绝策略
    }
    ...
}

(3)如何确定线程池的线程数量

一.计算密集型

一般来说，计算密集型的一个线程执行比较快，线程数 = CPU核数 + 1 或 CPU核数 * 2。

二.IO密集型

一般来说，IO密集型的一个线程执行比较慢，线程数 = CPU核数 / (1 - 阻塞系数)，其中阻塞系数一般是0.8或0.9。

一个应用服务的线程池一定要统一起来进行管理，创建新的线程池的时候，需要知道当前应用系统运行时究竟会使用多少线程。

(4)如何正确使用线程池

一.注意线程池的相关配置

二.利用hook嵌入线程的行为

三.需要优雅关闭线程池

一.注意线程池的相关配置

比如线程数量、阻塞队列的大小等。注意：newFixedThreadPool()方法创建线程池时不会限制阻塞队列长度，newCachedThreadPool()方法创建线程池时不会限制线程数量。

二.利用hook嵌入线程的行为

ThreadPoolExecutor中有beforeExecute()方法和afterExecute()方法，因此可以在某一个线程执行前和执行后输出一些关键的日志。这样在线程运行失败时，便可以进行更加详细的分析。

三.需要优雅关闭线程池

一般为了避免线程池没有合理关闭，都推荐使用Spring创建线程池，然后直接在执行destroy()方法进行销毁时调用shutdown()方法即可。从而确保服务关闭时，线程池也被关闭掉。