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高并发编程之线程间通信和集合的线程安全

2024-03-27 52
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简介： 高并发编程之线程间通信和集合的线程安全

3 线程间通信

线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递，以下方式都是基本这两种模
型来实现的。我们来基本一道面试常见的题目来分析
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,要求用线程间通信

3.1 synchronized 方案

package com.atguigu.test;
class DemoClass{
    //加减对象
    private int number = 0;
    /**
     * 加 1
     */
    public synchronized void increment() {
        try {
            while (number != 0){
                this.wait();
            }
            number++; System.out.println("--------" + Thread.currentThread().getName() + "加一成
                    功----------,值为:" + number);
            notifyAll();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    /**
     * 减一
     */
    public synchronized void decrement(){
        try {
            while (number == 0){
                this.wait();
            }
            number--;
            System.out.println("--------" + Thread.currentThread().getName() + "减一成
                    功----------,值为:" + number);
            notifyAll();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.2 Lock 方案

import java.util.concurrent.locks.Condition;
        import java.util.concurrent.locks.Lock;
        import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class DemoClass{
    //加减对象
    private int number = 0;
    //声明锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //声明钥匙
    private Condition condition = lock.newCondition();
    /**
     * 加 1
     */
    public void increment() {
        try {
            lock.lock();
            while (number != 0){
                condition.await();
            }
            number++; System.out.println("--------" + Thread.currentThread().getName() + "加一成
                    功----------,值为:" + number);
            condition.signalAll();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    /**
     * 减一
     */
    public void decrement(){
        try {
            lock.lock();
            while (number == 0){
                condition.await();
            }
            number--;
            System.out.println("--------" + Thread.currentThread().getName() + "减一成
                    功----------,值为:" + number);
            condition.signalAll();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock(); }
    }
}

3.4 线程间定制化通信

3.4.1 案例介绍

问题: A 线程打印 5 次 A，B 线程打印 10 次 B，C 线程打印 15 次 C,按照
此顺序循环 10 轮

3.4.2 实现流程

import java.util.concurrent.locks.Condition;
        import java.util.concurrent.locks.Lock;
        import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class DemoClass{
    //通信对象:0--打印 A 1---打印 B 2----打印 C
    private int number = 0;
    //声明锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //声明钥匙 A
    private Condition conditionA = lock.newCondition();
    //声明钥匙 B
    private Condition conditionB = lock.newCondition();
    //声明钥匙 C
    private Condition conditionC = lock.newCondition(); /**
     * A 打印 5 次
     */
    public void printA(int j){
        try {
            lock.lock();
            while (number != 0){
                conditionA.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出 A,第" + j + "
                    轮开始");
//输出 5 次 A
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("A");
            }
//开始打印 B
            number = 1;
//唤醒 B
            conditionB.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    } /**
     * B 打印 10 次
     */
    public void printB(int j){
        try {
            lock.lock();
            while (number != 1){
                conditionB.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出 B,第" + j + "
                    轮开始");
//输出 10 次 B
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("B");
            }
//开始打印 C
            number = 2;
//唤醒 C
            conditionC.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    } /**
     * C 打印 15 次
     */
    public void printC(int j){
        try {
            lock.lock();
            while (number != 2){
                conditionC.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出 C,第" + j + "
                    轮开始");
//输出 15 次 C
            for (int i = 0; i < 15; i++) {
                System.out.println("C");
            }
            System.out.println("-----------------------------------------");
//开始打印 A
            number = 0;
//唤醒 A
            conditionA.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        } }
}
测试类
        package com.atguigu.test;
/**
 * volatile 关键字实现线程交替加减
 */
public class TestVolatile {
    /**
     * 交替加减
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args){
        DemoClass demoClass = new DemoClass();
        new Thread(() ->{
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                demoClass.printA(i);
            }
        }, "A 线程").start();
        new Thread(() ->{
            for (int i = 1; i <= 10; i++) { demoClass.printB(i);
            }
        }, "B 线程").start();
        new Thread(() ->{
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                demoClass.printC(i);
            }
        }, "C 线程").start();
    }
}

4 集合的线程安全

4.1 集合操作 Demo

NotSafeDemo

import java.util.ArrayList;
        import java.util.List;
        import java.util.UUID;
/**
 * 集合线程安全案例
 */
public class NotSafeDemo {
    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

异常内容
java.util.ConcurrentModificationException
问题: 为什么会出现并发修改异常?

查看 ArrayList 的 add 方法源码

/**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

那么我们如何去解决 List 类型的线程安全问题?

4.2 Vector

Vector 是矢量队列，它是 JDK1.0 版本添加的类。继承于 AbstractList，实现
了 List, RandomAccess, Cloneable 这些接口。 Vector 继承了 AbstractList，
实现了 List；所以，它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功
能。 Vector 实现了 RandmoAccess 接口，即提供了随机访问功能。
RandmoAccess 是 java 中用来被 List 实现，为 List 提供快速访问功能的。在
Vector 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访
问。 Vector 实现了 Cloneable 接口，即实现 clone()函数。它能被克隆。
和 ArrayList 不同，Vector 中的操作是线程安全的。
NotSafeDemo 代码修改

import java.util.List;
        import java.util.UUID;
        import java.util.Vector;
/**
 * 集合线程安全案例
 */
public class NotSafeDemo {
    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        List list = new Vector();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

现在没有运行出现并发异常,为什么?

查看 Vector 的 add 方法

/**
     * Appends the specified element to the end of this Vector.
     *
     * @param e element to be appended to this Vector
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     * @since 1.2
     */
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

add 方法被 synchronized 同步修辞,线程安全!因此没有并发异常

4.3 Collections

Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的
NotSafeDemo 代码修改

import java.util.*;
/**
 * 集合线程安全案例
 */
public class NotSafeDemo {
    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

没有并发修改异常
查看方法源码

/**
     * Returns a synchronized (thread-safe) list backed by the specified
     * list. In order to guarantee serial access, it is critical that
     * <strong>all</strong> access to the backing list is accomplished
     * through the returned list.<p>
     *
     * It is imperative that the user manually synchronize on the returned
     * list when iterating over it:
     * 
<pre>
     * List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
     * ...
     * synchronized (list) {
     * Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
     * while (i.hasNext())
     * foo(i.next());
     * }
     * </pre>
* Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior.
     *
     * <p>The returned list will be serializable if the specified list is
     * serializable.
     *
     * @param <T> the class of the objects in the list
     * @param list the list to be "wrapped" in a synchronized list.
     * @return a synchronized view of the specified list.
     */
    public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
        return (list instanceof RandomAccess ?
                new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                new SynchronizedList<>(list));
    }

4.4 CopyOnWriteArrayList(重点)

首先我们对 CopyOnWriteArrayList 进行学习,其特点如下:
它相当于线程安全的 ArrayList。和 ArrayList 一样，它是个可变数组；但是和
ArrayList 不同的时，它具有以下特性：

  1. 它最适合于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。
  2. 它是线程安全的。
  3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove()
    等等）的开销很大。
  4. 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
  5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代
    器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
    1. 独占锁效率低：采用读写分离思想解决
    2. 写线程获取到锁，其他写线程阻塞
    3. 复制思想：当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容
    器进行 Copy，复制出一个新的容器，然后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。
    这时候会抛出来一个新的问题，也就是数据不一致的问题。如果写线程还没来
    得及写会内存，其他的线程就会读到了脏数据。
    这就是 CopyOnWriteArrayList 的思想和原理。就是拷贝一份。
    NotSafeDemo 代码修改
import java.util.*;
        import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
/**
 * 集合线程安全案例
 */
public class NotSafeDemo {
    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        List list = new CopyOnWriteArrayList();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

没有线程安全问题
原因分析(重点):动态数组与线程安全
下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对
CopyOnWriteArrayList 的原理进行说明。
•
“动态数组”机制
o 它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据
时，都会新建一个数组，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”, 这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因
o 由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的
操作，CopyOnWriteArrayList 效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，
效率比较高。
•
“线程安全”机制
o 通过 volatile 和互斥锁来实现的。
o 通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看
到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读
取到的数据总是最新的”这个机制的保证。
o 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，
再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组”中，然后再“释放互斥
锁”，就达到了保护数据的目的。

4.5 小结(重点)

1.线程安全与线程不安全集合

集合类型中存在线程安全与线程不安全的两种,常见例如:
ArrayList ----- Vector
HashMap -----HashTable
但是以上都是通过 synchronized 关键字实现,效率较低

2.Collections 构建的线程安全集合3.java.util.concurrent 并发包下

CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet 类型,通过动态数组与线程安
全个方面保证线程安全

文章标签：
安全
容器
Java
关键词：
线程集合
线程通信
编程线程
编程线程通信
高并发编程
Cool架构
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