1. 同步容器。它的原理是将状态封装起来，并对每个公有方法都实行同步，使得每次只有1个线程能够访问容器的状态。

   • Vector和HashTable
   • Collections.synchronizedXXX方法

同步容器的问题

1. 这种方式使得对容器的访问都串行化，严重降低了并发性，如果多个线程来竞争容器的锁时，吞吐量严重降低
2. 对容器的多个方法的复合操作，是线程不安全的，比如一个线程负责删除，另一个线程负责查询，有可能出现越界的异常

1. 并发容器。java.util.concurrent包里面的一系列实现

   • Concurrent开头系列。以ConcurrentHashMap为例，它的实现原理为分段锁。默认情况下有16个，每个锁守护1/16的散列数据，这样保证了并发量能达到16

分段锁缺陷在于虽然一般情况下只要一个锁，但是遇到需要扩容等类似的事情，只能去获取所有的锁

ConcurrentHashMap一些问题

1. 需要对整个容器中的内容进行计算的方法，比如size、isEmpty、contains等等。由于并发的存在，在计算的过程中可能已进过期了，它实际上就是个估计值，但是在并发的场景下，需要使用的场景是很少的。
   以ConcurrentHashMap的size方法为例:

/**
    * Returns the number of key-value mappings in this map.  If the
    * map contains more than <tt>Integer.MAX_VALUE</tt> elements, returns
    * <tt>Integer.MAX_VALUE</tt>.
    *
    * @return the number of key-value mappings in this map
    */
   public int size() {
       //为了能够算准数量，会算2次，如果两次算的不准，就锁住再算
       final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
       int size;
       boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
       long sum;         // sum of modCounts
       long last = 0L;   // previous sum
       int retries = -1; // 第一轮的计算总数不重试
       try {
           for (;;) {
               if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
               //RETRIES_BEFORE_LOCK 默认是2
                   for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                       ensureSegment(j).lock(); // force creation
               }
               sum = 0L;
               size = 0;
               overflow = false;
               for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                   Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
                   if (seg != null) {
                       sum += seg.modCount;
                       int c = seg.count;
                       if (c < 0 || (size += c) < 0)
                           overflow = true;
                   }
               }
               //第一次计算的时候
               if (sum == last)
                   break; //如果前后两次数数一致，就认为已经算好了
               last = sum;
           }
       } finally {
           if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
               for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                   segmentAt(segments, j).unlock();
           }
       }
       return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
   }

1. 不能提供线程独占的功能

• CopyOnWrite系列。以CopyOnWriteArrayList为例,只在每次修改的时候，进行加锁控制，修改会创建并重新发布一个新的容器副本，其它时候由于都是事实上不可变的，也就不会出现线程安全问题

  CopyOnWrite的问题

  每次修改都复制底层数组，存在开销，因此使用场景一般是迭代操作远多于修改操作

  CopyOnWriteArrayList的读写示例

  /**
     * 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) {
         final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
       try {
          Object[] elements = getArray();
         int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
       newElements[len] = e;
      setArray(newElements);
     return true;
  } finally {
    lock.unlock();
  }
  }
         /**
        * {@inheritDoc}
       *
       * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
       */
      public E get(int index) {
          return get(getArray(), index);
      }
      /**
     * Gets the array.  Non-private so as to also be accessible
     * from CopyOnWriteArraySet class.
     */
      final Object[] getArray() {
         return array;
      }
      private E get(Object[] a, int index) {
          return (E) a[index];
       }

java中的同步工具类

1. 阻塞队列，BlockingQueue。它提供了put和take方法，在队列不满足各自条件时将产生阻塞

   BlockingQueue使用示例,生产者-消费者

   public static void main(String[] args) throws Exception {
          BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);
          Producer producer = new Producer(queue);
          Consumer consumer = new Consumer(queue);
          new Thread(producer).start();
          new Thread(consumer).start();
      }
   }
   public class Producer implements Runnable{
      protected BlockingQueue queue = null;
   
      public Producer(BlockingQueue queue) {
          this.queue = queue;
      }
      
      public void run() {
          try {
              queue.put("1");
              Thread.sleep(1000);
              queue.put("2");
              Thread.sleep(2000);
              queue.put("3");
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }
   }
   public class Consumer implements Runnable{
      
      protected BlockingQueue queue = null;
      
      public Consumer(BlockingQueue queue) {
          this.queue = queue;
      }
      
      public void run() {
          try {
              System.out.println(queue.take());
              System.out.println("Wait 1 sec");
              System.out.println(queue.take());
              System.out.println("Wait 2 sec");
              System.out.println(queue.take());
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }
   }

   输出为

   1
   Wait 1 sec
   2
   Wait 2 sec
   3

2. 闭锁

   • CountDownLatch。使多个线程等待一组事件发生，它包含一个计数器，表示需要等待的事件的数量，每发生一个事，就递减一次，当减为0时，所有事情发生，允许“通行”

CountDownLatch示例：

public class TestHarness{
   public long timeTasks(int nThreads,final Runnable task) throws InterruptedException {
   final CountDownLatch startGate = new CountDownLatch(1);
   final CountDownLatch endGate = new CountDownLatch(nThreads);
   for (int i=0;i<nThreads;i++){
       Thread t = new Thread(){
           public void run(){
               try {
                   startGate.await();
                   try {
                       task.run();
                   }finally {
                       endGate.countDown();
                   }
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
       };
       t.start();
   }
   long start = System.nanoTime();
   startGate.countDown();
   endGate.await();
   long end=System.nanoTime();
   return end-start;
   }
}

启动门使主线程能够同时释放所有的工作线程，结束门使得主线程能够等待最后一个线程执行完
- FutureTask。Future.get的如果任务执行完成，则立即返回，否则将阻塞直到任务完结，再返回结果或者是抛出异常

1. 信号量，Semaphore 。它管理着一组虚拟的许可，许可的数量可通过构造函数指定，在执行操作时首先获得许可，并在使用后释放许可，如果没有，那么accquire将阻塞直到有许可。

   Semaphore示例

   public class BoundedHashSet<T>{
      private final Set<T> set;
      private final Semaphore sem;
   
      public BoundedHashSet(int bound) {
          this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<T>());
          this.sem = new Semaphore(bound);
      }
      public boolean add(T o) throws InterruptedException {
          sem.acquire();
          boolean wasAdded = false;
          try {
              wasAdded = set.add(o);
             return wasAdded;
          }finally {
              if (!wasAdded){
                  sem.release();
              }
          }
      }
      public boolean remove(Object o){
          boolean wasRemoved = set.remove(o);
          if(wasRemoved){
             sem.release();
          }
          return wasRemoved;
              
      }
   }

2. 栅栏。它能阻塞一组线程直到某个事件发生。
   与闭锁的区别：

   • 所有线程必须同时到达栅栏位置，才能继续执行。闭锁用于等待事件，而栅栏用于等待其它线程。
   • 闭锁一旦进入终止状态，就不能被重置，它是一次性对象，而栅栏可以重置
   • CyclicBarrier。可以使一定数量的参与方反复地在栅栏位置汇集

CyclicBarrier使用示例

public static void main(String[] args) {
//第k步执行完才能执行第k+1步
       CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3,new StageKPlusOne());
       StageK[] stageKs = new StageK[3];
       for (int i=0;i<3;i++){
           stageKs[i] = new StageK(barrier,"k part "+(i+1));
       }
       for (int i=0;i<3;i++){
           new Thread(stageKs[i]).start();
       }
}    
class StageKPlusOne implements Runnable{
   @Override
   public void run() {
       System.out.println("stage k over");
       System.out.println("stage k+1 start counting");
   }
}
class StageK implements Runnable{
   private CyclicBarrier barrier;
   private String stage;
   
   public StageK(CyclicBarrier barrier, String stage) {
       this.barrier = barrier;
       this.stage = stage;
   }
   
   @Override
   public void run() {
       System.out.println("stage "+stage+" counting...");
       try {
           TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
       System.out.println("stage "+stage+" count over");
       try {
           barrier.await();
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       } catch (BrokenBarrierException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

输出为

stage k part 1 counting...
stage k part 3 counting...
stage k part 2 counting...
stage k part 2 count over
stage k part 3 count over
stage k part 1 count over
stage k over
stage k+1 start counting

• Exchanger。它是一种两方栅栏，各方在栅栏位置交换数据

  Exchanger 使用示例：

  public static void main(String[] args) {
         Exchanger exchanger = new Exchanger();
          ExchangerRunnable er1 = new ExchangerRunnable(exchanger,"1");
          ExchangerRunnable er2 = new ExchangerRunnable(exchanger,"2");
          new Thread(er1).start();
          new Thread(er2).start();
      
      }
      class ExchangerRunnable implements Runnable{
      
      private Exchanger e;
      private Object o;
  
      public ExchangerRunnable(Exchanger e, Object o) {
         this.e = e;
          this.o = o;
  }
     
      @Override
      public void run() {
         Object pre=o;
          try {
              o=e.exchange(o);
              System.out.println("pre:"+pre+" now:"+o);
          } catch (InterruptedException e1) {
              e1.printStackTrace();
          }
      }
  }

  输出如下

  pre:1 now:2
  pre:2 now:1

附录

案例