java 对线程安全支持有哪些？

摘要：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。

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

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
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

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
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 Integer.MAX_VALUE elements, returns
    * Integer.MAX_VALUE.
    *
    * @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[] 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 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;
   }
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 true (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];
     }

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

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

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



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{
   private final Set set;
   private final Semaphore sem;

   public BoundedHashSet(int bound) {
       this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
       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;
           
   }
}



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