java并发编程（同步、同步容器、线程池）

一、 同步
1、synchronized  关键字
　　synchronized 锁什么？锁对象。
　　可能锁对象包括： this， 临界资源对象，Class 类对象。

1.1  同步方法
　　synchronized T methodName(){}
　　同步方法锁定的是当前对象。当多线程通过同一个对象引用多次调用当前同步方法时，需同步执行。
1.2  同步代码块(锁定临界对象object、锁定当前对象this)
　　同步代码块的同步粒度更加细致，是商业开发中推荐的编程方式。可以定位到具体的同步位置，而不是简单的将方法整体实现同步逻辑。在效率上，相对更高。

1.3  锁的底层实现
　　Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现。同步方法并不是由 monitor enter 和 monitor exit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。

1.3.1 对象内存简图

当在对象上加锁时，数据是记录在对象头中。当执行 synchronized 同步方法或同步代码块时，会在对象头中记录锁标记，锁标记指向的是 monitor 对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中，monitor 是由 ObjectMonitor 实现的。ObjectMonitor 中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，以及_Owner 标记。其中_WaitSet是用于管理等待队列(wait)线程的，_EntryList 是用于管理锁池阻塞线程的，_Owner 标记用于记录当前执行线程。线程状态图如下：

 当多线程并发访问 同一个同步代码 时，首先会进入_EntryList，当线程获取锁标记后，monitor 中的_Owner 记录此线程，并在 monitor 中的计数器执行递增计算（+1），代表锁定，其他线程在_EntryList 中继续阻塞。若执行线程调用 wait 方法，则 monitor 中的计数器执行赋值为 0 计算，并将_Owner 标记赋值为 null，代表放弃锁，执行线程进如_WaitSet 中阻塞。若执行线程调用 notify/notifyAll 方法，_WaitSet 中的线程被唤醒，进入_EntryList 中阻塞，等待获取锁标记。若执行线程的同步代码执行结束，同样会释放锁标记，monitor 中的_Owner标记赋值为 null，且计数器赋值为 0 计算。

1.4  锁的种类

Java 中锁的种类大致分为偏向锁，自旋锁，轻量级锁，重量级锁。锁的使用方式为：先提供偏向锁，如果不满足的时候，升级为轻量级锁，再不满足，升级为重量级锁。自旋锁是一个过渡的锁状态，不是一种实际的锁类型。

1.4.1  重量级锁
　　在 1.3 中解释的就是重量级锁。

1.4.2  偏向锁
　　是一种编译解释锁。如果代码中不可能出现多线程并发争抢同一个锁的时候，JVM 编译代码，解释执行的时候，会自动的放弃同步信息。消除 synchronized 的同步代码结果。使用锁标记的形式记录锁状态。在 Monitor 中有变量 ACC_SYNCHRONIZED。当变量值使用的时候，代表偏向锁锁定。可以避免锁的争抢和锁池状态的维护。提高效率。

1.4.3  轻量级锁
　　过渡锁。当偏向锁不满足，也就是有多线程并发访问，锁定同一个对象的时候，先提升为轻量级锁。也是使用标记 ACC_SYNCHRONIZED 标记记录的。ACC_UNSYNCHRONIZED 标记记录未获取到锁信息的线程。就是只有两个线程争抢锁标记的时候，优先使用轻量级锁。两个线程也可能出现重量级锁。

1.4.4  自旋锁
　　是一个过渡锁，是偏向锁和轻量级锁的过渡。当获取锁的过程中，未获取到。为了提高效率，JVM 自动执行若干次空循环，再次申请锁，而不是进入阻塞状态的情况。称为自旋锁。自旋锁提高效率就是避免线程状态的变更。

2、 volatile  关键字

变量的线程可见性。在 CPU 计算过程中，会将计算过程需要的数据加载到 CPU 计算缓存中，当 CPU 计算中断时，有可能刷新缓存，重新读取内存中的数据。在线程运行的过程中，如果某变量被其他线程修改，可能造成数据不一致的情况，从而导致结果错误。而 volatile修饰的变量是线程可见的，当 JVM 解释 volatile 修饰的变量时，会通知 CPU，在计算过程中，每次使用变量参与计算时，都会检查内存中的数据是否发生变化，而不是一直使用 CPU 缓存中的数据，可以保证计算结果的正确。

volatile 只是通知底层计算时，CPU 检查内存数据，而不是让一个变量在多个线程中同步。

3 、wait&notify

4 、AtomicXxx 型 类型

原子类型。
在 concurrent.atomic 包中定义了若干原子类型，这些类型中的每个方法都是保证了原子操作的。多线程并发访问原子类型对象中的方法，不会出现数据错误。在多线程开发中，如果某数据需要多个线程同时操作，且要求计算原子性，可以考虑使用原子类型对象。
注意：原子类型中的方法 是保证了原子操作，但多个方法之间是没有原子性的。如：
AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
if(i.get() != 5) i.incrementAndGet();
在上述代码中， get 方法和 incrementAndGet 方法都是原子操作，但复合使用时，无法保证原子性，仍旧可能出现数据错误。

5、 CountDownLatch  门闩

门闩是 concurrent 包中定义的一个类型，是用于多线程通讯的一个辅助类型。门闩相当于在一个门上加多个锁，当线程调用 await 方法时，会检查门闩数量，如果门闩数量大于 0，线程会阻塞等待。当线程调用 countDown 时，会递减门闩的数量，当门闩数量为 0 时，await 阻塞线程可执行。

6、ReentrantLock

锁的重入：

在 Java 中，同步锁是可以重入的。只有同一线程调用同步方法或执行同步代码块，对同一个对象加锁时才可重入。
当线程持有锁时，会在 monitor 的计数器中执行递增计算，若当前线程调用其他同步代码，且同步代码的锁对象相同时，monitor 中的计数器继续递增。每个同步代码执行结束，monitor 中的计数器都会递减，直至所有同步代码执行结束，monitor 中的计数器为 0 时，释放锁标记，_Owner 标记赋值为 null。

重入锁，建议应用的同步方式。相对效率比 synchronized 高。量级较轻。synchronized 在 JDK1.5 版本开始，尝试优化。到 JDK1.7 版本后，优化效率已经非常好了。
在绝对效率上，不比 reentrantLock 差多少。使用重入锁， 必须 必须必须 手工释放锁标记。一般都是在 finally 代码块中定义释放锁标记的 unlock 方法。

6.1  公平锁

reentrantlock公平锁会记录等待时长t1 获取锁，t2等待 3 秒，t3等待 5 秒，当t1 执行结束，t3 有限获取锁queue

7、ThreadLocal

在一个操作系统中，线程和进程是有数量上限的。在操作系统中，确定线程和进程唯一性的唯一条件就是线程或进程 ID。操作系统在回收线程或进程的时候，不是一定杀死线程或进程，在繁忙的时候，只会做清空线程或进程栈数据的操作，重复使用线程或进程

二、 同步容器

解决并发情况下的容器线程安全问题的。给多线程环境准备一个线程安全的容器对象。
线程安全的容器对象： Vector, Hashtable。线程安全容器对象，都是使用 synchronized方法实现的。
concurrent 包中的同步容器，大多数是使用系统底层技术实现的线程安全。类似 native。Java8 中使用 CAS。

1、Map/Set

1.1 ConcurrentHashMap/ConcurrentHashSet
　　底层哈希实现的同步 Map(Set)。效率高，线程安全。使用系统底层技术实现线程安全。量级较 synchronized 低。key 和 value 不能为 null。

1.2 ConcurrentSkipListMap/ConcurrentSkipListSet
　　底层跳表（SkipList）实现的同步 Map(Set)。有序，效率比 ConcurrentHashMap 稍低。

2、List

2.1 CopyOnWriteArrayList
　　写时复制集合。写入效率低，读取效率高。每次写入数据，都会创建一个新的底层数组。

3、Queue

3.1 ConcurrentLinkedQueue
　　基础链表同步队列。

3.2 LinkedBlockingQueue
　　阻塞队列，队列容量不足自动阻塞，队列容量为 0 自动阻塞。

3.3 ArrayBlockingQueue
　　底层数组实现的有界队列。自动阻塞。根据调用 API（add/put/offer）不同，有不同特性。

3.4 DelayQueue
　　延时队列。根据比较机制，实现自定义处理顺序的队列。常用于定时任务。如：定时关机。

3.5 LinkedTransferQueue
　　转移队列，使用 transfer 方法，实现数据的即时处理。没有消费者，就阻塞。

3.6 SynchronusQueue
　　同步队列，是一个容量为 0 的队列。是一个特殊的 TransferQueue。必须现有消费线程等待，才能使用的队列。

三、 ThreadPool&Executor

1 、Executor
　　线程池顶级接口。定义方法，void execute(Runnable)。方法是用于处理任务的一个服务方法。调用者提供 Runnable 接口的实现，线程池通过线程执行这个 Runnable。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　        服务方法无返回值的。是 Runnable 接口中的 run 方法无返回值。
　　常用方法 - void execute(Runnable)
　　作用是： 启动线程任务的。

public class Test_01_MyExecutor implements Executor {
    public static void main(String[] args) {
        new Test_01_MyExecutor().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - test executor");
            }
        });
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        new Thread(command).start();
    }
}

2 、ExecutorService

　　Executor 接口的子接口。提供了一个新的服务方法，submit。有返回值（Future 类型）。submit 方法提供了 overload 方法。其中有参数类型为 Runnable 的，不需要提　　        供返回值的；有参数类型为 Callable，可以提供线程执行后的返回值。
　　Future，是 submit 方法的返回值。代表未来，也就是线程执行结束后的一种结果。如返回值。
　　常见方法 - void execute(Runnable)， Future submit(Callable)， Future submit(Runnable)
　　线程池状态： Running， ShuttingDown， Termitnaed
　　Running - 线程池正在执行中。活动状态。
　　ShuttingDown - 线程池正在关闭过程中。优雅关闭。一旦进入这个状态，线程池不再接收新的任务，处理所有已接收的任务，处理完毕后，关闭线程池。
　　Terminated - 线程池已经关闭。

3 、Future
　　未来结果，代表线程任务执行结束后的结果。获取线程执行结果的方式是通过 get 方法获取的。get 无参，阻塞等待线程执行结束，并得到结果。get 有参，阻塞固定时            长，等待线程执行结束后的结果，如果在阻塞时长范围内，线程未执行结束，抛出异常。
　　常用方法： T get() T get(long, TimeUnit)

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
        
        Future<String> future = service.submit(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("aaa");
                return Thread.currentThread().getName() + " - test executor";
            }
        });
        System.out.println(future);
        System.out.println(future.isDone()); // 查看线程是否结束， 任务是否完成。 call方法是否执行结束
        
        System.out.println(future.get()); // 获取call方法的返回值。
        System.out.println(future.isDone());

4 、Callable

　　可执行接口。 类似 Runnable 接口。也是可以启动一个线程的接口。其中定义的方法是call。call 方法的作用和 Runnable 中的 run 方法完全一致。call 方法有返回值。
　　接口方法 ： Object call();相当于 Runnable 接口中的 run 方法。区别为此方法有返回值。不能抛出已检查异常。
　　和 Runnable 接口的选择 - 需要返回值或需要抛出异常时，使用 Callable，其他情况可任意选择。

5 、Executors
　　工具类型。为 Executor 线程池提供工具方法。可以快速的提供若干种线程池。如：固定容量的，无限容量的，容量为 1 等各种线程池。
       线程池是一个进程级的重量级资源。默认的生命周期和 JVM 一致。当开启线程池后，直到 JVM 关闭为止，是线程池的默认生命周期。如果手工调用 shutdown 方法，那          么线程池执行所有的任务后，自动关闭。
　　开始 - 创建线程池。
　　结束 - JVM 关闭或调用 shutdown 并处理完所有的任务。
　　类似 Arrays，Collections 等工具类型的功用。

6、线程池

6.1 FixedThreadPool
　　容量固定的线程池。活动状态和线程池容量是有上限的线程池。所有的线程池中，都有一个任务队列。使用的是 BlockingQueue<Runnable>作为任务的载体。当任务        数量大于线程池容量的时候，没有运行的任务保存在任务队列中，当线程有空闲的，自动从队列中取出任务执行。
　　使用场景： 大多数情况下，使用的线程池，首选推荐 FixedThreadPool。OS 系统和硬件是有线程支持上限。不能随意的无限制提供线程池。
　　线程池默认的容量上限是 Integer.MAX_VALUE。
　　常见的线程池容量： PC - 200。 服务器 - 1000~10000
　　queued tasks - 任务队列
　　completed tasks - 结束任务队列

6.2 CachedThreadPool
　　缓存的线程池。容量不限（Integer.MAX_VALUE）。自动扩容。容量管理策略：如果线程池中的线程数量不满足任务执行，创建新的线程。每次有新任务无法即时处        理的时候，都会创建新的线程。当线程池中的线程空闲时长达到一定的临界值（默认 60 秒），自动释放线程。
　　默认线程空闲 60 秒，自动销毁。
　　应用场景： 内部应用或测试应用。 内部应用，有条件的内部数据瞬间处理时应用，如：电信平台夜间执行数据整理（有把握在短时间内处理完所有工作，且对硬件　　　　        和软件有足够的信心）。 测试应用，在测试的时候，尝试得到硬件或软件的最高负载量，用于提供FixedThreadPool 容量的指导。

6.3 ScheduledThreadPool
　　计划任务线程池。可以根据计划自动执行任务的线程池。方法scheduleAtFixedRate(Runnable, start_limit, limit, timeunit)
　　runnable - 要执行的任务。
　　start_limit - 第一次任务执行的间隔。
　　limit - 多次任务执行的间隔。
　　timeunit - 多次任务执行间隔的时间单位。
　　使用场景： 计划任务时选用（DelaydQueue），如：电信行业中的数据整理，没分钟整理，没消失整理，每天整理等。

6.4 SingleThreadExceutor
　　单一容量的线程池。
　　使用场景： 保证任务顺序时使用。如： 游戏大厅中的公共频道聊天。秒杀。

6.5 ForkJoinPool
　　分支合并线程池（mapduce 类似的设计思想）。适合用于处理复杂任务。初始化线程容量与 CPU 核心数相关。
　　线程池中运行的内容必须是 ForkJoinTask 的子类型（RecursiveTask,RecursiveAction）。
　　ForkJoinPool - 分支合并线程池。 可以递归完成复杂任务。要求可分支合并的任务必须是 ForkJoinTask 类型的子类型。其中提供了分支和合并的能力。　　　　              ForkJoinTask 类型提供了两个抽象子类型，RecursiveTask 有返回结果的分支合并任务,RecursiveAction 无返回结果的分支合并任务。（Callable/Runnable）                    compute 方　　法：就是任务的执行逻辑。
　　ForkJoinPool 没有所谓的容量。默认都是 1 个线程。根据任务自动的分支新的子线程。
　　当子线程任务结束后，自动合并。所谓自动是根据 fork 和 join 两个方法实现的。
　　应用： 主要是做科学计算或天文计算的。数据分析的。

7、线程池底层实现

除 ForkJoinPool 外，其他常用线程池底层都是使用 ThreadPoolExecutor实现的。public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心容量，创建线程池的时候，默认有多少线程。也是线程池保持的最少线程数
int maximumPoolSize, // 最大容量，线程池最多有多少线程
long keepAliveTime, // 生命周期，0 为永久。当线程空闲多久后，自动回收。
TimeUnit unit, // 生命周期单位，为生命周期提供单位，如：秒，毫秒
BlockingQueue<Runnable> workQueue // 任务队列，阻塞队列。注意，泛型必须是Runnable);
使用场景： 默认提供的线程池不满足条件时使用。如：初始线程数据 4，最大线程数200，线程空闲周期 30 秒。

ThreadPoolExecutor类继承了AbstractExecutorService类，AbstractExecutorService类实现了ExecutorService（interface），ExecutorService（interface）继承了Executor（接口）。

// FixedThreadPool线程池实现
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

//ThreadPoolExecutor类的构造方法 
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }