CS-LogN思維導圖：記錄CS基礎 面試題
開源地址：https://github.com/FISHers6/CS-LogN

JUC

分類

線程管理

• 線程池相關類

  • Executor、Executors、ExecutorService
  • 常用的線程池：FixedThreadPool、CachedThreadPool、ScheduledThreadPool、SingleThreadExecutor

• 能獲取子線程的運行結果

  • Callable、Future、FutureTask

併發流程管理

• CountDwonLatch、CyclicBarrier、Semaphore、Condition

實現線程安全

• 互斥同步(鎖)

  • Synchronzied、及工具類Vector、Collections
  • Lock接口的相關類：ReentrantLock、讀寫鎖

• 非互斥同(原子類)

  • 原子基本類型、引用類型、原子升級、累加器

• 併發容器

  • ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、BlockingQueue

• 無同步與不可變方案

  • final關鍵字、ThreadLocal棧封閉

線程池

使用線程池的作用好處

• 降低資源消耗

  • 重複利用已創建的線程降低線程創建和銷毀造成的消耗

• 提高響應速度

  • 任務到達，可以不需要等到線程創建就能立即執行

• 提高線程的可管理性

  • 使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控

線程池的參數

• corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、workQueue、threadFactory、handler

• 圖示

常用線程池的創建與規則

• 線程添加規則

  • 1.如果線程數量小於corePoolSize，即使工作線程處於空閑狀態，也會創建一個新線程來運行新任務，創建方法是使用threadFactory

  • 2.如果線程數量大於corePoolSize但小於maximumPoolSize，則將任務放入隊列

  • 3.如果workQueue隊列已滿，並且線程數量小於maxPoolSize，則開闢一個非核心新線程來運行任務

  • 4.如果隊列已滿，並且線程數大於或等於maxPoolSize，則拒絕該任務，執行handler

  • 圖示(分別與3個參數比較)

• 常用線程池

  • newFixedThreadPool

    • 創建固定大小的線程池，使用無界隊列會發生OOM

  • newSingleThreadExecutor

    • 創建一個單線程的線程池，線程數為1

  • newCachedThreadPool

    • 創建一個可緩存的線程池，60s會回收部分空閑的線程。採用直接交付的隊列 SynchronousQueue ，隊列容量為0，來一個創建一個線程

  • newScheduledThreadPool

    • 創建一個大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執行任務的需求

• 如何設置初始化線程池的大小？

  • 可根據線程池中的線程
    處理任務的不同進行分別估計

    • CPU 密集型任務

      • 大量的運算，無阻塞
        通常 CPU 利用率很高
        應配置盡可能少的線程數量
        設置為 CPU 核數 + 1

    • IO 密集型任務

      • 這類任務有大量 IO 操作
        伴隨着大量線程被阻塞
        有利於并行提高CPU利用率
        配置更多數量： CPU 核心數 * 2

• 使用線程池的注意事項

  • 1.避免任務堆積(無界隊列會OOM)、2.避免線程數過多(cachePool直接交付隊列)、3.排查線程泄露

線程池的狀態和常用方法

• 線程池的狀態

  • RUNNING(接受並處理任務中)、
    SHUTDOWN(不接受新任務但處理排隊任務)、
    STOP(不接受新任務 也不處理排隊任務 並中斷正在進行的任務)、
    TIDYING、TEMINATED(運行完成)

• 線程池停止

  • shutdown

    • 通知有序停止，先前提交的任務務會執行

  • shutdownNow

    • 嘗試立即停止，忽略隊列里等待的任務

線程池的源碼解析

• 線程池的組成

  • 1.線程池管理器
    2.工作線程
    3.任務隊列：無界、有界、直接交付隊列
    4.任務接口Task

  • 圖示

• Executor家族

  • Executor頂層接口，只有一個execute方法

  • ExecutorService繼承了Executor，增加了一些新的方法，比如shutdown擁有了初步管理線程池的功能方法

  • Executors工具類，來創建，類似Collections

  • 圖示

• 線程池實現任務復用的原理

  • 線程池對線程作了包裝，不需要啟動線程，不需要重複start線程，只是調用已有線程固定數量的線程來跑傳進來的任務run方法

  • 添加工作線程

    • 4步：1. 獲取線程池狀態、4.判斷是否進入任務隊列 3.根據狀態檢測是否增加工作線程4.執行拒絕handler

  • 重複利用線程執行不同的任務

面試題

• 為什麼要使用線程池？
• 如何使用線程池？
• 線程池有哪些核心參數？
• 初始化線程池的大小的如何算？
• shutdown 和 shutdownNow 有什麼區別？

ThreadLocal

ThreadLocal的作用好處

• 為每個線程提供存儲自身獨立的局部變量，實現線程間隔離
• 即：達到線程安全，不需要加鎖節省開銷，減少參數傳遞

ThreadLocal的使用場景

• 1.每個線程需要一個獨享的對象，如 線程不安全的工具類，(線程隔離)
• 2.每個線程內需要保存全局變量，如 攔截器中的用戶信息參數，讓不同方法直接使用，避免參數傳遞過多，(局部變量安全，參數傳遞）

ThreadLocal的實現原理

• 每個 Thread 維護着一個 ThreadLocalMap 的引用；ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的內部類，用 Entry 來進行存儲；key就對應一個個ThreadLocal

• get方法：取出當前線程的ThreadLocalMap，然後調用map.getEntry方法，把ThreadLocal作為key參數傳入，取出對應的value

• set方法：往 ThreadLocalMap 設置ThreadLocal對應值
  initalValue方法：延遲加載，get的時候設置初始化

• 圖示

缺陷注意

• value內存泄漏

  • 原因：ThreadLocal 被 ThreadLocalMap 中的 entry 的 key 弱引用。如果 ThreadLocal 沒有被強引用， 那麼 GC 時 Entry 的 key 就會被回收，但是對應的 value 卻不會回收，就會造成內存泄漏

  • 解決方案：每次使用完 ThreadLocal，都調用它的 remove () 方法，清除value數據。

  • 源碼圖示

面試題

• ThreadLocal 的作用是什麼？
• 講一講ThreadLocal的實現原理(組成結構)
• ThreadLocal有什麼風險？

Callable與Future

Callable

• 引入目的

  • 解決Runnable的缺陷

    • 1.沒有返回值，因為返回類型為void
    • 2.不能拋出異常，因為沒有繼承Execption接口

• 是什麼如何使用

  • Callable是類似於Runnable的接口，實現Callable接口的類和實現Runnable的類都是可被其它線程執行的任務。
  • 實現Call方法，可以有返回值

Future

• 引入目的

  • Future的核心思想是：一個方法的計算過程可能非常耗時，一直在原地等待方法返回，顯然不明智。可以把該計算過程放到子線程去執行，並通過Future去控制方法的計算過程，在計算出結果后直接獲取該結果。

• 常用方法

  • get方法：獲取結果，在沒有計算出結果前，會進入阻塞態

• 使用場景

  • 用法1：線程池的submit方法返回Future對象
  • 用法2：用FutureTask來創建Future

• 注意點

  • 當for循環批量獲取future的結果時，容易block，get方法調用時應使用timeout限制
  • Future和Callable的生命周期不能後退

• Callable和Future的關係

  • Future相當於一個存儲器，它存儲未來call()任務方法的返回值結果

  • 可以用Future.get方法來獲取Callable接口的執行結果，在call()未執行完畢之前沒調用get的線程會被阻塞

  • 線程池傳入Callable，submit返回Future，get獲取值

• FutureTask

  • FutureTask是一種包裝器，可以把Callable轉化成Future和Runnable，它同時實現了二者的接口。所以既可以作為Runnable任務被線程執行，又可以作為Future得到Callable的返回值

  • 圖示

final與不變性

什麼是不變性（Immutable）

• 如果對象在被創建后，狀態就不能被修改，那麼它就是不可變的。
• 具有不變性的對象一定是線程安全的，我們不需要對其採取任何額外的安全措施，也能保證線程安全。

final的作用

• 類防止被繼承、方法防止被重寫、變量防止被修改
• 天生是線程安全的(因為不能修改)，而不需要額外的同步開銷

final的3種用法：修飾變量、方法、類

• final修飾變量

  • 被final修飾的變量，意味着值不能被修改。
    如果變量是對象，那麼對象的引用不能變，但是對象自身的內容依然可以變化。

  • 賦值時機

    • 屬性被聲明為final后，該變量則只能被賦值一次。且一旦被賦值，final的變量就不能再被改變，如論如何也不會變。

    • 區分為3種

      • final instance variable（類中的final屬性）

        • 等號右側、構造函數、初始化代碼塊

      • final static variable（類中的static final屬性）

        • 等號右側、靜態初始化代碼塊

      • final local variable（方法中的final變量）

        • 使用前複製即可

    • 為什麼規定時機

      • 根據JVM對類和成員變量、靜態成員變量的加載規則來看：如果初始化不賦值，後續賦值，就是從null變成新的賦值，這就違反final不變的原則了！

• final修飾方法（構造方法除外）

  • 不可被重寫，也就是不能被override，即便是子類有同樣名字的方法，那也不是override，與static類似*

• final修飾類

  • 不可被繼承，例如典型的String類就是final的

棧封閉 實現線程安全

• 在方法里新建的局部便咯，實際上是存儲在每個線程私有的棧空間，線程棧不能被其它線程訪問，所以不會有線程安全問題，如ThreadLocal

面試題

CAS

什麼是CAS

• 我認為V的值應該是A，如果是的話那我就把它改成B，如果不是A（說明被別人修改過了），那我就不修改了，避免多人同時修改導致出錯。
• CAS有三個操作數：內存值V、預期值A、要修改的值B，當且僅當預期值A和內存值V相同時，才將內存值修改為B，否則什麼都不做。最後返回現在的V值。
• 最終執行CPU處理機提供的的原子指令

缺點

• ABA問題

  • 我認為 V的值為A，有其它線程在這期間修改了值為B，但它又修改成了A，那麼CAS只是對比最終結果和預期值，就檢測不出是否修改過

• CAS+自旋，導致自旋時間過長

• 改進：通過版本號的機制來解決。每次變量更新的時候，版本號加 1，如AtomicStampedReference的compareAndSet ()

應用場景

• 1 樂觀鎖：數據庫、git版本號； 自旋 2 concurrentHashMap：CAS+自旋
  3 原子類

CAS底層實現

• 通過Unsafe獲取待修改變量的內存遞增，
  比較預期值與結果，調用彙編cmpxchg指令

以AtomicInteger為例，分析在Java中是如何利用CAS實現原子操作的？

• 1.使用Unsafe類拿到value的內存遞增，通過偏移量 直接操作內存數據
• 2.Unsafe的getAndAddInt方法，使用CAS+自旋嘗試修改數據
• CAS的參數通過 預期值 與 實際拿到的值進行比較，相同就修改，不相同就自旋
• Unsafe提供硬件級別的原子操作，最終調用原子彙編指令的cmpxchg指令

鎖

鎖的分類

Lock鎖接口

• 簡介

  • Lock鎖是一種工具，用於控制對共享資源的訪問
  • 如：ReentrantLock

• Lock和Synchronized的異同點

  • 相同點

    • 都能達到線程安全的目的

  • 不同點

    • Lock 有比 synchronized 更精確的線程語義和更好的性能；高級功能

    • 1 實現原理不同

      • Synchronized 是關鍵字，屬於 JVM 層面，底層是通過 monitorenter 和 monitorexit 完成，依賴於 monitor 對象來完成；
      • Lock 是 java.util.concurrent.locks.lock 包下的，底層是AQS

    • 2 靈活性不同

      • Synchronized 代碼完成之後系統自動讓線程釋放鎖；ReentrantLock 需要用戶手動釋放鎖，加鎖解鎖靈活

    • 3 等待時是否可以中斷

      • Synchronized 不可中斷，除非拋出異常或者正常運行完成；ReentrantLock 可以中斷。一種是通過 tryLock，另一種是 lockInterruptibly () 放代碼塊中，調用 interrupt () 方法進行中斷；

• 可見性

  • happens-before規則約定；Lock與Synchronized一致都可以保證可見性
  • 即下一個線程加鎖時可以看到上一個釋放鎖的線程發生的所有操作

樂觀鎖與悲觀鎖

• 悲觀鎖(互斥同步鎖)

  • 思想

    • 鎖住數據，讓別人無法訪問，確保數據萬無一失

  • 實例

    • Synchronized、Lock相關類
    • 應用實例：select 把庫鎖住，屬於悲觀鎖，更新期間其它人不能修改

  • 缺點

    • 在阻塞和喚醒性能開銷大(用戶態核心態切換、上下文切換、檢查是否有線程被喚醒)
    • 持有鎖的線程被阻塞時無法釋放，有可能造成永久阻塞

• 樂觀鎖

  • 思想

    • 認為自己在操作數據時不會有其它線程干擾，所以不需要鎖住被操作對象
    • 在更新數據的時候，去對比修改期間有沒有被其它人改變過，沒改過就正常修改(類似CAS思想)
    • 樂觀鎖一般由CAS實現：CAS在一個原子操作內把數據對比且交換，在此期間不能被打斷的

  • 實例

    • 原子類、併發容器
    • 應用實例：數據庫版本號控制、git版本號

  • 優缺點對比

    • 悲觀鎖一旦切換就不用再考慮切換CPU等操作了，一勞永逸，開銷固定
    • 樂觀鎖，會一步步嘗試自旋來獲取鎖，自旋開銷

• 對比

可重入鎖與非可重入鎖

• 什麼是可重入

  • 拿到鎖的線程又請求這把鎖，允許通過

• 可重入的好處

  • 避免死鎖(拿到鎖的線程內部又請求該鎖)
  • 提升封裝性，避免一次次加鎖

• 可重入鎖ReentrantLock與非可重入鎖ThreadPoolExecutor的Worker類對比

公平鎖和非公平鎖

• 公平鎖

  • 介紹

    • 公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖，線程直接進入隊列中排隊，隊列中的第一個線程才能獲得鎖

  • 優點

    • 公平鎖的優點是公平執行，等待鎖的線程不會餓死

  • 缺點

    • 缺點是整體吞吐效率相對非公平鎖要低，等待隊列中除第一個線程以外的所有線程都會阻塞，CPU喚醒阻塞線程的開銷比非公平鎖大

• 非公平鎖

  • 介紹

    • 多個線程加鎖時直接嘗試獲取鎖，獲取不到才會到等待隊列的隊尾等待。但如果此時鎖剛好可用，那麼這個線程可以無需阻塞直接獲取到鎖，所以非公平鎖有可能出現后申請鎖的線程先獲取鎖的場景

  • 優點

    • 減少喚起線程的開銷，整體的吞吐效率高，因為線程有幾率不阻塞直接獲得鎖，CPU不必喚醒所有線程

  • 缺點

    • 處於等待隊列中的線程可能會餓死，或者等很久才會獲得鎖

• 優缺點對比

• 源碼分析

共享鎖和排他鎖

• 排他鎖

  • 介紹

    • 排他鎖，獲取鎖后，既能讀又能寫，但是此時其它線程不能獲取這個鎖了，只能由當前線程修改數據獨享鎖，保證了線程安全，synchronized
    • 又稱為 獨佔鎖，寫鎖

• 共享鎖

  • 介紹

    • 獲取共享鎖后，其它線程也可以獲取共享鎖完成讀操作，但都不能修改刪除數據
    • 又成為 讀鎖

• ReentrantReadWriteLock

  • 讀寫鎖的作用

    • 共享鎖減少了多個讀都加鎖的開銷，線程也安全
    • 在讀的地方使用讀鎖，在寫的地方寫鎖；在沒有寫鎖的情況下，讀操作無阻塞，提高程序效率

  • 讀寫鎖的規則

    • 要麼可以多讀，要麼只能一寫
    • 讀寫鎖只是一把鎖，可以通過兩個方式鎖定：讀鎖定 或 寫鎖定

  • 一把鎖兩種方式鎖定

    • readLock() 讀鎖
    • writeLock() 寫鎖

  • 讀線程插隊策略(非公平下)

    • 寫鎖可以隨時插隊，參与競爭
    • 讀鎖僅在等待隊列頭節點為寫的時候不允許插隊；當隊頭為讀的時候可以去插隊。

  • 鎖升級

    • 引入場景

      • 假如一開始持有寫鎖，但我寫需求完了，後面都是讀的需求了，如果還佔用寫鎖就浪費資源開銷

    • 策略

      • 只允許降級，不允許升級

  • 適合場景

    • 讀多寫少，提高併發效率

自旋鎖和阻塞鎖

• 阻塞鎖

  • 思想

    • 沒拿到鎖之前，會直接把線程阻塞，直到被喚醒

  • 開銷缺陷

    • 阻塞或喚醒一個線程需要操作系統切換CPU狀態來完成，恢復現場等需要消耗處理機時間；如果同步代碼塊的內容過於簡單，狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長，得不償失

• 自旋鎖

  • 思想

    • 讓當前搶鎖失敗的線程進行自旋，如果在自旋完成后前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼當前線程就可以不必阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免切換線程的開銷

  • 開銷缺陷

    • 自旋佔用時間長，起始開銷低，但消耗CPU資源開銷會線性增長

• 源碼分析

  • atomic包下的類基本都是自旋鎖的實現

  • AtomicInteger的實現：自旋鎖實現原理是CAS，Atomic調用Unsafe進行自增add的源碼中的do-while循環就是一個自旋操作，使用CAS如果修改過程中遇到其它線程修改導致沒有秀嘎四成功，就在while里死循環，直至修改成功

  • 圖示

• 適用場景

  • 多核、臨界區短小

可中斷鎖

• 介紹

  • 線程B等待線程A釋放鎖時，線程B不想等待了，想處理其它事情，我們可以中斷它

• 使用場景

  • synchronized是不可中斷鎖，Lock是可中斷鎖(tryLock(time) 和 lockInterruptibly)響應中斷

鎖優化

• JDK1.6 后對synchronized鎖的優化

  • JDK1.6 對鎖的實現引入了大量的優化，如偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術來減少鎖操作的開銷。

  • 偏向鎖

    • 無競爭條件下,消除整個同步互斥，連CAS都不操作；即這個鎖會偏向於第一個獲得它的線程

  • 輕量級鎖

    • 無競爭條件下,通過CAS消除同步互斥，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。

  • 重量級鎖

    • 互斥同步鎖

  • 自旋鎖

    • 為了減少線程狀態改變帶來的消耗,不停地執行當前線程

  • 自適應自旋鎖

    • 自旋的時間不固定了，如設置自旋次數

  • 鎖消除

    • 不可能存在共享數據競爭的鎖進行消除；

  • 鎖粗化

    • 鎖粗化就是增大鎖的作用域；如解決加鎖操作在循環體內的頻開銷

• 寫代碼時的優化

  • 縮小同步代碼塊、如不要鎖住方法
  • 減少鎖的請求次數， 如一批一批請求
  • 參考LongAdder的思想，每個段有自己的計數器，最後才合併

面試題

• 什麼是公平鎖？什麼是非公平鎖？
• 自旋鎖解決什麼問題?自旋鎖的原理是什麼?自旋的缺點?
• 說說 JDK1.6 之後的synchronized 關鍵字底層做了哪些優化，可以詳細介紹一下這些優化嗎？
• 說說 synchronized 和 java.util.concurrent.locks.Lock 的異同？

原子類atomic包

原子類的作用

• 原子類的作用和鎖類似，都是為了保證併發下線程安全
• 粒度更細，變量級別
• 效率更高，除了高度競爭外

原子類的種類

• Atomic*基本類型原子類：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
• Atomic*Array數組類型原子類：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
• Atomic*Reference 引用類型原子類：AtomicReference等
• AtomicIntegerFiledUpdate等升級類型原子類
• Adder累加器、Accumlator累加器

AtomicInteger

• 常用方法

  • get、getAndSet、getAndIncrement、compareAndSet(int expect,int update)

• 實現原理

  • AtomicInteger 內部使用 CAS 原子語義來處理加減等操作。CAS通過判斷內存某個位置的值是否與預期值相等，如果相等則進行值更新
  • CAS 是內部是通過 Unsafe 類實現，而 Unsafe 類的方法都是 native 的，在 JNI 里是藉助於一個 CPU 指令完成的，屬於原子操作。

• 缺點

  • 循環開銷大。如果 CAS 失敗，會一直嘗試
  • 只能保證單個共享變量的原子操作，對於多個共享變量，CAS 無法保證，引出原子引用類
  • 用CAS存在 ABA 問題

Adder累加器

• 引入目的/改進思想

  • AtomicLong在每一次加法都要flush和refresh主存，與JMM內存模型有關。工作線程之間不能直接通信，需要通過主內存間接通信

• 設計思想

  • Java8引入，高併發下LongAdder比AtomicLong效率高，本質是空間換時間
  • 競爭激烈時，LongAdder把不同線程對應到不同的Cell單元上進行修改，降低了衝突的概率，是多段鎖的理念，提高了併發性
  • 每個線程都有自己的一個計數器，不存在競爭
  • sum源碼分析：最終把每一個Cell的計數器與base主變量相加

面試題

• AtomicInteger 怎麼實現原子操作的？
• AtomicInteger 有哪些缺點？

併發容器

ConcurrentHashMap

• 集合類歷史

  • Vector的方法被synchronizd修飾，同步鎖；不允許多個線程同時執行。併發量大的時候性能不好
  • Hashtable是線程安全的HashMap，方法也是被synchronized修飾，同步但併發性能差
  • Collections工具類，提高的有synchronizedList和synchronizedMap，代碼內使用sync互斥變量加鎖

• 為什麼需要

  • 為什麼不用HashMap

    • 1.多線程下同時put碰撞導致數據丟失
    • 2.多線程下同時put擴容導致數據丟失
    • 3.死循環造成的CPU100%

  • 為什麼不用Collection.synchronizedMap

    • 同步鎖併發性能低

• 數據結構與併發策略

  • JDK1.7

    • 數組+鏈表，拉鏈法解決衝突
    • 採用分段鎖，每個數組結點是一個獨立的ReentrantLock鎖，可以支持同時併發寫

  • JDK1.8

    • 數組+鏈表+紅黑樹，拉鏈法和樹化解決衝突
    • 採用CAS+synchronized鎖細化

  • 1.7到1.8改變後有哪些優點

    • 1.數據結構由鏈表變為紅黑樹，樹查詢效率更高
    • 2.減少了Hash碰撞，1.7拉鏈法
    • 3.保證了併發安全和性能，分段鎖改成CAS+synchronized
    • 為什麼超過8要轉為紅黑樹，因為紅黑樹存儲空間是結點的兩倍，經過泊松分佈，8衝突概率低

• 注意事項

  • 組合操作線程不安全，應使用putIfAbsent提供的原子性操作

CopyOnWriteArrayList

• 引入目的

  • Vector和SynchronizedList鎖的粒度太大併發效率低，並且迭代時無法編輯exceptMod!=Count

• 適合場景

  • 讀多寫少，如黑名單管理每日更新

• 讀寫規則

  • 是對讀寫鎖的升級：讀取完全不用加鎖，讀時寫入也不會阻塞。只有寫入和寫入之間需要同步

• 實現原理

  • 創建數據的新副本，實現讀寫分離，修改時整個副本進行一次複製，完成后最後再替換回去；由於讀寫分離，舊容器不變，所以線程安全無需鎖
  • 在計算機內存中修改不直接修改主內存，而是修改緩存(cache、對拷貝的副本進行修改)，再進行同步(指針指向新數據)。

• 缺點

  • 1.數據一致性問題，拷貝不能保證數據實時一致，只能保證數據最終一致性
  • 2.內存佔用問題，寫複製機制，寫操作時內存會同時駐紮兩個對象的內存

併發隊列

• 為什麼使用隊列

  • 用隊列可以在線程間傳遞數據，緩存數據
  • 考慮鎖等線程安全問題的重任轉移到了“隊列”上

• 併發隊列關係圖示

• BlockingQueue阻塞隊列

  • 阻塞隊列是局由自動阻塞功能的隊列，線程安全；take方法移除隊頭，若隊列無數據則阻塞直到有數據；put方法插入元素，如果隊列已滿就無法繼續插入則阻塞直到隊列里有了空閑空間

  • ArrayBlockQueue

    • 有界可指定容量、可公平
    • Put源碼加鎖，可中斷的上鎖方法。沒滿才可以入隊，否則一直await等待。

  • LinkedBlockingQueue

    • 無界容量為MAX_VALUE，內部結構Node
    • 使用了兩把鎖take鎖和put鎖互補干擾

  • PriorityBlockingQueue

    • 支持優先級，無界隊列

  • SynchronousQueue

    • 直接傳遞的隊列，容量0，效率高線程池的CacheExecutorPool使用其作為工作隊列

  • DelayQueue

    • 無界隊列，根據延遲時間排序

• 非阻塞隊列

  • ConcurrentLinkedQueue

    • 使用鏈表作為隊列存儲結構
    • 使用Unsafe的CAS非阻塞方法來實現線程安全，無需阻塞，適合對性能要求較高的併發場景

• 選擇合適的隊列

  • 邊界上看

    • ArrayBlockQueue有界；LinkedBlockQueue無界適合容量大容量激增

  • 內存上看

    • ArrayBlockQueue內部結構是array，從內存存儲上看，連續存儲更加整齊。而LinkedBlockQueue採用鏈表結點，可以非連續存儲。

  • 吞吐量上看

    • 從性能上看LinkedBlockQueue的put鎖和鎖分開，鎖粒度更細，所以優於ArrayBlockQueue

總結併發容器對比

• 分為3類：Concurrent、CopyOnWrite、Blocking*
• Concurrent*的特定是大部分使用CAS併發；而CopyOnWrite通過複製一份元數據寫加鎖實現；Blocking通過ReentLock鎖底層AQS實現

併發流程控制工具類

控制併發流程工具類的作用

• 控制併發流程的工具類，作用是幫助程序員更容易讓線程之間相互配合，來滿足業務邏輯

• 併發工具類圖示

CountDownLatch倒計時門閂

• 作用(事件)

  • 一個線程等多個線程、或多個線程等一個線程完成到達，才能繼續執行

• 常用方法

  • 構造函數中傳入倒數值、await、countDown

Semaphore信號量

• 作用

  • 用來限制管理數量有限的資源的使用情況，相當於一定數量的“許可證”

• 常用方法

  • 構造函數中傳入數量、acquire、release

Condition條件對象

• 作用

  • 等待條件滿足才放行，否則阻塞；一個鎖可以對應多個條件

• 常用方法

  • lock.newCondition、await、signal

CyclicBarrier循環柵欄

• 作用(線程)

  • 多個線程互相等待，直到達到同一個同步點（屏障），再繼續一起執行

• 常用方法

  • 構造函數中傳入個數、await

AQS

AQS的作用

• AQS是一個用於構建鎖、同步器、協作工具類的框架，有了AQS后，更多的協作工具類都可以很方便的寫出來

AQS的應用場景

• Exclusive(獨佔)

  • ReentrantLock 公平和非公平鎖

• Share(共享)

  • Semaphore/CountDownLatch/CyclicBarrier

AQS原理解析

• 核心三要素

  • 1.sate

    • 使用一個 int 成員變量來表示同步狀態 state，被volatile修飾，會被併發修改，各方法如getState、setState等使用CAS保證線程安全
    • 在ReentrantLock中，表示可重入的次數
    • 在Semaphore中，表示剩餘許可證信號的數量
    • 在CountDownLatch中，表示還需要倒數的個數

  • 2.控制線程搶鎖和配合的FIFO隊列

    • 獲取資源線程的排隊工作

  • 3.期望協作工具類去實現的“獲取/釋放”等喚醒分配的方法策略

• AQS的用法

  • 第一步：寫一個類，想好協作的邏輯，實現獲取/釋放方法
  • 第二步：內部寫一個Sync類繼承AbstractQueueSynchronizer
  • 第三步：Sync類根據獨佔還是共享重寫tryAcquire/tryRelease或tryAcquireShared和tryReleaseShared等方法，在之前寫的獲取/釋放方法中調用AQS的acquire/release或則Shared方法

AQS應用實例源碼解析

• AQS在CountDownLatch的應用

  • 內部類Sync繼承AQS

  • 1.state表示門閂倒數的count數量，對應getCount方法獲取

  • 2.釋放方法，countDown方法會讓state減1，直到減為0時就喚醒所有線程。countDown方法調用releaseShared，它調用sync實現的tryReleaseShared，其使用CAS+自旋鎖，來實現安全的計數-1

  • 3.阻塞方法，await會調用sync提供的aquireSharedInterruptly方法，當state不等於0時，最終調用LockUpport的park，它利用Unsafe的park，native方法，把線程加入阻塞隊列

  • 總結

• AQS在Semphore的應用

  • state表示信號量允許的剩餘許可數量

  • tryAcquire方法，判斷信號量大於0就成功獲取，使用CAS+自旋改變state狀態。如果信號量小於0了，再請求時tryAcquireShared返回負數，調用aquireSharedInterruptly方法就進入阻塞隊列

  • release方法，調用sync實現的releaseShared，會利用AQS去阻塞隊列喚醒一個線程

  • 總結

• AQS在ReentrantLock的應用

  • state表示已重入的次數，獨佔鎖權保存在AQS的Thread類型的exclusiveOwnerThread變量中
  • 釋放鎖: unlock方法調用sync實現的release方法，會調用tryRelease，使用setState而不是CAS來修改重入次數state，當state減到0完全釋放鎖
  • 加鎖lock方法：調用sync實現的lock方法。CAS嘗試修改鎖的所有權為當前線程，如果修改失敗就要調用acquire方法再次嘗試獲取，acquire方法調用了AQS的tryAcquire，這個實現在ReentantLock的裏面，獲取失敗加入到阻塞隊列

通過AQS自定義同步器

• 自定義同步器在實現時只需要根據業務邏輯需求，實現共享資源 state 的獲取與釋放方式策略即可
• 至於具體線程等待隊列的維護（如獲取資源失敗入隊 / 喚醒出隊等），AQS 已經在頂層實現好了

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