目录
1. 简介
从JDK1.5起，Java API 中提供了java.util.concurrent（简称JUC）包，在此包中定义了并发 编程中很常用的工具。
JUC是 JSR 166 标准规范的一个实现，JSR 166 以及 JUC 包的作者是同一个人 Doug Lea 。
2. Atomic包
2.1 什么是原子类
JDK1.5之后，JUC的atomic包中，提供了一系列用法简单、性能高效、线程安全的更新一个变量的类，这些称之为原子类。
作用：保证共享变量操作的原子性、可见性，可以解决volatile原子性操作变量的BUG
2.2 Atomic包里的类
➢基本类型：AtomicInteger整形原子类…
➢引用类型：AtomicReference引用类型原子类…
➢数组类型：AtomicIntegerArray整形数组原子类…
➢对象属性修改类型：AtomicIntegerFieldUpdater原子更新整形字段的更新器…➢JDK1.8新增：DoubleAdder双浮点型原子类、LongAdder长整型原子类…
虽然原子类很多，但原理几乎都差不多，其核心是采用CAS进行原子操作
3. CAS
3.1 CAS是什么
CAS即compare and swap（比较再替换），同步组件中大量使用CAS技术实现了Java多线程的并发操作。整个AQS、Atomic原子类底层操作，都可以看见CAS。甚至ConcurrentHashMap在1.8的版本中也调整为了CAS+Synchronized。可以说CAS是整个JUC的基石。
CAS本质是一条CPU的原子指令，可以保证共享变量修改的原子性
其实，CAS本不难，它只是一个方法而已，这个方法长这样：执行函数：CAS(V,E,N)
➢V：要读写的内存地址
➢E：进行比较的值（预期值）
➢N：拟写入的新值
➢当且仅当内存地址的V 中的值等于预期值E 时，将内存地址的V中的值改为N，否则会进行自旋操作，即不断的重试。
3.2 Java中对CAS的实现
3.3 CAS的缺陷
CAS虽然很好的解决了共享变量的原子操作问题，但还是有一些缺陷:
➢循环时间不可控：如果CAS一直不成功，那么CAS自旋就是个死循环。会给CPU造成负担 ReentrantReadWriteLock读写锁：它维护了一对锁，ReadLock读锁和WriteLock写锁。读写锁适合读多写少的场景基本原则：读锁可以被多个线程同时持有进行访问，而写锁只能被一个线程持有。可以这 么理解：读写锁是个混合体，它既是一个共享锁，也是一个独享锁。 ➢StampedLock重入读写锁，JDK1.8引入的锁类型，是对读写锁ReentrantReadWriteLock的增强版。 ➢只能保证一个共享变量原子操作
➢ABA问题：CAS检查操作的值有没有发生改变，如果没有则更新。这就存在一种情况：如果原来的值是A，然后变成了B，然后又变为A了，那么CAS检测不到数据发生了变化，但是其实数据已经改变了。
4. JUC里面的常见锁
JUC包提供了种类丰富的锁，每种锁特性各不相同
➢ReentrantLock重入锁：它具有与使用synchronized 相同的一些基本行为和语义，但是它的API功能更强大，重入锁相当于synchronized 的增强版，具有synchronized很多所没有的功能。它是一种独享锁（互斥锁），可以是公平锁，也可以是非公平的锁。
➢ReentrantReadWriteLock读写锁：它维护了一对锁，ReadLock读锁和WriteLock写锁。读写锁适合读多写少的场景。基本原则：读锁可以被多个线程同时持有进行访问，而写锁只能被一个线程持有。可以这么理解：读写锁是个混合体，它既是一个共享锁，也是一个独享锁。
➢StampedLock重入读写锁，JDK1.8引入的锁类型，是对读写锁ReentrantReadWriteLock的增强版。
4.1 锁分类
4.1.1 按上锁方式划分
①隐式锁：synchronized，不需要显示加锁和解锁
②显式锁：JUC包中提供的锁，需要显示加锁和解锁
4.1.2 按特性划分
悲观锁/乐观锁：按照线程在使用共享资源时，要不要锁住同步资源，划分为悲观锁和乐观锁
- 悲观锁：JUC锁，synchronized
- 乐观锁：CAS，关系型数据库的版本号机制
重入锁/不可重入锁：按照同一个线程是否可以重复获取同一把锁，划分为重入锁和不可重入锁
- 重入锁：ReentrantLock、synchronized
- 不可重入锁：不可重入锁，与可重入锁相反，线程获取锁之后不可重复获取锁，重复获取会发生死锁
公平锁/非公平锁：按照多个线程竞争同一锁时需不需要排队，能不能插队，划分为公平锁和非公平锁。
- 公平锁：new ReentrantLock(true)多个线程按照申请锁的顺序获取锁
- 非公平锁：new ReentrantLock(false)多个线程获取锁的顺序不是按照申请锁的顺序(可以插队) synchronized
独享锁/共享锁：按照多个线程能不能同时共享同一个锁，锁被划分为独享锁和共享锁
- 独享锁：独享锁也叫排他锁，synchronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock的WriteLock写锁
- 共享锁：ReentrantReadWriteLock的ReadLock读锁
4.1.3 其他锁
自旋锁：
- 实现：CAS、轻量级锁
分段锁：
- 实现：ConcurrentHashMap ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术，首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。
无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁
- 这四个锁是synchronized独有的四种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
- 它们是JVM为了提高synchronized锁的获取与释放效率而做的优化
- 四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级
4.2 Synchronized和JUC的锁对比
Synchronize的缺陷：
➢ 第一： Synchronized无法控制阻塞时长，阻塞不可中断
◼ 使用Synchronized，假如占有锁的线程被长时间阻塞（IO、sleep、join），由于线程阻塞时没法释放锁，会导致大 量线程堆积，轻则影响性能，重则服务雪崩
◼ JUC的锁可以解决这两个缺陷
➢ 第二：读多写少的场景中，多个读线程同时操作共享资源时不需要加锁
◼ Synchronized不论是读还是写，均需要同步操作，这种做法并不是最优解
◼ JUC的ReentrantReadWriteLock锁可以解决这个问题
5. 锁原理分析
在重入锁ReentrantLock类关系图中，可以看到NonfairSync和FairSync都继承自抽象类Sync，而Sync类继 承自抽象类AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）。
5.1 AQS
AQS即队列同步器，是JUC并发包中的核心基础组件，其本身只是一个抽象类。其实现原理与前面介绍的 Monitor管程是一样的，AQS中也用到了CAS和Volatile。
由类图可以看到，AQS是一个FIFO的双向队列，队列中存储的是thread，其内部通过节点head和tail记录队首 和队尾元素，队列元素的类型为Node
AQS中的内部静态类Node为链表节点，AQS会在线程获取锁失败后，线程会被阻塞并被封装成Node加入到 AQS队列中；当获取锁的线程释放锁后，会从AQS队列中的唤醒一个线程（节点）。
- 线程抢夺锁失败时，AQS队列的变化【加锁】
① AQS的head、tail分别代表同步队列头节点和尾节点指针默认为null
② 当第一个线程抢夺锁失败，同步队列会先初始化，随后线程会被封装成Node节点追加到AQS队列中。
➢ 假设：当前独占锁的的线程为ThreadA，抢占锁失败的线程为ThreadB。
➢ 2.1 同步队列初始化，首先在队列中添加Node，thread=null
➢ 2.2 将ThreadB封装成为Node，追加到AQS队列
③ 当下一个线程抢夺锁失败时，继续重复上面步骤。假设：ThreadC抢占线程失败
- 线程被唤醒时，AQS队列的变化【解锁】
① ReentrantLock唤醒阻塞线程时，会按照FIFO的原则从AQS中head头部开始唤醒首个节点中线程。
② head节点表示当前获取锁成功的线程ThreadA节点。
③ 当ThreadA释放锁时，它会唤醒后继节点线程ThreadB，ThreadB开始尝试获得锁，如果ThreadB获得锁成功，会将自 己设置为AQS的头节点。ThreadB获取锁成功后，AQS变化如下：
5.2 ReentrantLock源码分析-锁的获取
ReentrantLock锁获取源码分析：
5.3 ReentrantLock源码分析-锁的释放
ReentrantLock锁释放源码分析
5.4 公平锁和非公平锁源码实现区别
公平锁/非公平锁：按照多个线程竞争同一锁时需不需要排队，能不能插队
获取锁的两处差异：
① lock方法差异
② tryAcquire差异
5.5 读写锁ReentrantReadWriteLock
读写锁：维护着一对锁(读锁和写锁)，通过分离读锁和写锁，使得并发能力比一般的互斥锁有较大 提升。同一时间，可以允许多个读线程同时访问，但在写线程访问时，所有读写线程都会阻塞。 所以说，读锁是共享的，写锁是排他的。
主要特性：
➢ 支持公平和非公平锁
➢ 支持重入
➢ 锁降级：写锁可以降级为读锁，但是读锁不能升级为写锁
5.6 锁优化
如何优化锁？
➢ 减少锁的持有时间
➢ 减少锁粒度
◆ 将大对象拆分为小对象，增加并行度，降低锁的竞争
◆ 例如：早期ConcurrentHashMap的分段锁
➢ 锁分离
◆ 根据功能场景进行锁分离
◆ 例如：读多写少的场景，使用读写锁可以提高性能
➢ 锁消除：锁消除是编译器自动的一种优化方式
➢ 锁粗化
◆ 增加锁的范围，降低加解锁的频次
6. 线程协作工具类
6.1 CountDownLatch计数门闩
◆ 倒数结束之前，一直处于等待状态，直到数到0，等待线程才继续工作。
◆ 场景：购物拼团、分布式锁
◆ 方法：
① new CountDownLatch(int count)
② await()：调用此方法的线程会阻塞，支持多个线程调用，当计数为0，则唤醒线程
③ countdown()：其他线程调用此方法，计数减1
6.2 Semaphore信号量
◆ 限制和管理数量有限的资源的使用
◆ 场景：Hystrix、Sentinel限流
◆ 方法：
① new Semaphore ((int permits) 可以创建公平的非公平的策略
② acquire()：获取许可证，获取许可证，要么获取成功，信号量减1，要么阻塞等待唤醒
③ release()：释放许可证，信号量加1，然后唤醒等待的线程
6.3 CyclicBarrier循环栅栏
◆ 线程会等待，直到线程到了事先规定的数目，然后触发执行条件进行下一步动作
◆ 场景：并行计算
◆ 方法：
① new CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)参数1集结线程数，参数2凑齐之后执行的任务
② await()：阻塞当前线程，待凑齐线程数量之后继续执行
6.4 Condition接口
◆ 控制线程的“等待”和“唤醒”
◆ 方法：
① await()：阻塞线程
② signal()：唤醒被阻塞的线程
③ signalAll()会唤起所有正在等待的线程。
◆ 注意：
① 调用await()方法时必须持有锁，否则会抛出异常
② Condition和Object#await/notify方法用法一样，两者await方法都会释放锁
7. 并发容器
7.1 什么是并发容器
针对多线程并发访问来进行设计的集合，称为并发容器
➢ JDK1.5之前，JDK提供了线程安全的集合都是同步容器，线程安全，只能串行执行，性能很差。
➢ JDK1.5之后，JUC并发包提供了很多并发容器，优化性能，替代同步容器
什么是同步容器？线程安全的集合与非安全集合有什么关系？
每次只有一个线程可以访问的集合（同步），称为线程安全的集合，也叫同步容器
➢ Java集合主要为4类：List、Map、Set、Queue，线程不安全的：ArrayList、HashMap..
➢ JDK早期线程安全的集合Vector、Stack、HashTable。
➢ JDK1.2中，还为Collections增加内部Synchronized类创建出线程安全的集合，实现原理synchronized
7.2 常见并发容器特点总结
➢ List容器
① Vector：synchronized实现的同步容器，性能差，适合于对数据有强一致性要求的场景
② CopyOnWriteArrayList ：底层数组实现，使用复制副本进行有锁写操作（数据不一致问题），适合读多写少，允 许短暂的数据不一致的场景
➢ Map容器
① Hashtable ： synchronized实现的同步容器，性能差，适合于对数据有强一致性要求的场景
② ConcurrentHashMap ：底层数组+链表+红黑树（JDK1.8）实现，对table数组entry加锁（ synchronized ）， 存在一致性问题。适合存储数据量小，读多写少，允许短暂的数据不一致的场景
③ ConcurrentSkipListMap ：底层跳表实现，使用CAS实现无锁读写操作。适合与存储数据量大，读写频繁，允许短 暂的数据不一致的场景
➢ Set容器
① CopyOnWriteArraySet ：底层数组实现的无序Set
② ConcurrentSkipListSet ：底层基于跳表实现的有序Set
7.3 ConcurrentHashMap
JDK1.7结构图
JDK1.8结构图
➢ 底层采用数组+链表+红黑树数据结构
➢ 存入key值，使用hashCode映射数组索引
➢ 集合会自动扩容：加载因子0.75f
➢ 链表长度超过8时，链表转换为红黑树
7.4 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList底层数组实现，使用复制副本进行有锁写操作，适合读多写少，允许短 暂的数据不一致的场景。
CopyOnWrite思想：平时查询时，不加锁，更新时从原来的数据copy副本，然后修改副本，最后把原数据 替换为副本。修改时，不阻塞读操作，读到的是旧数据
优缺点
➢ 优点：对于读多写少的场景， CopyOnWrite这种无锁操作性能更好，相比于其它同步容器
➢ 缺点：①数据一致性问题，②内存占用问题及导致更多的GC次数
8. 并发队列
8.1 为什么要用队列
队列是线程协作的利器，通过队列可以很容易的实现数据共享，并且解决上下游处理速度不匹配的问题，典型的生 产者消费者模式
8.2 什么是阻塞队列
➢ 带阻塞能力的队列，阻塞队列一端是给生产者put数据使用，另一端给消费者take数据使用
➢ 阻塞队列是线程安全的，生产者和消费者都可以是多线程
➢ take方法：获取并移除头元素，如果队列无数据，则阻塞
➢ put方法：插入元素，如果队列已满，则阻塞
➢ 阻塞队列又分为有界和无界队列，无界队列不是无限队列，最大值Integer.MAX_VALUE
8.3 常用阻塞队列
- ArrayBlockingQueue 基于数组实现的有界阻塞队列
- LinkedBlockingQueue 基于链表实现的无界阻塞队列
- SynchronousQueue不存储元素的阻塞队列
- PriorityBlockingQueue 支持按优先级排序的无界阻塞队列
- DelayQueue优先级队列实现的双向无界阻塞队列
- LinkedTransferQueue基于链表实现的无界阻塞队列
- LinkedBlockingDeque基于链表实现的双向无界阻塞队列