（Java高级教程）第二章Java多线程常见面试题-第三节：线程安全集合类和死锁

news2024/11/15 4:16:21

文章目录

一：线程安全集合类
- （1）多线程环境下使用ArrayList
- （2）多线程环境使用队列
- （3）多线程使用哈希表
二：死锁
- （1）概念
- （2）死锁产生的四个必要条件
- - A：互斥条件
  - B：不可剥夺条件
  - C：持有并等待条件
  - D：循环等待条件
- （3）如何处理预防死锁

一：线程安全集合类

在Java集合框架中，大部分都是线程不安全的，当然也存在如Vector这样的线程安全类，但不推荐使用，因为效率太低。所以这里我们对之前学过的集合框架进行说明，以展示他们如何在多线程环境下使用

（1）多线程环境下使用ArrayList

方法一：自己使用同步机制完成，如Synchronized或ReentrantLock

方法二：使用collections.synchronizedList(new ArrayList)，synchronizedList是标准库提供的一个基于Synchronized进行线程同步的List

此时synchronizedList所有关键操作都会带上synchronized，所以有点粗暴，是一种选择，但不太推荐使用

方法三：使用CopyOnWriteArrayList，它不涉及锁，适用于“一写多读”的场景（也即写的频率较低）

CopyOnWrite容器是指“写时拷贝”容器
- 当我们向一个容器添加元素的时候，不直接添加，而是先把当前容器进行拷贝，拷贝出一个新的容器后，然后向新的容器中添加元素
- 添加完元素之后，再让原容器的引用指向新的容器
优缺点
- 优点：可以对原容器进行并发的读，从而不需要加锁；因此在读多写少的情形下，性能很高
- 缺点
  - 占用内存较多
  - 新写的数据不能在第一时间读到

（2）多线程环境使用队列

主要有以下几种

基于数组实现的阻塞队列：ArrayBlockingQueue
基于链表实现的阻塞队列：LinkedBlockingQueue
基于堆实现的带优先级的阻塞队列：PriorityBlockingQueue
最多只包含一个元素的阻塞队列：TransferQueue

（3）多线程使用哈希表

前面说过，HashMap本身不是线程安全的，而在多线程环境下要想使用哈希表可以有以下两种选择
- Hashtable：不推荐使用
- ConcurrentHashMap：下面介绍

ConcurrentHashMap：相较于Hashtable来说，做了很多的优化，更便于使用，主要优化有

①：加锁的粒度变细

Hashtable直接对整个对象加锁，一个Hashtable只有一把锁，因此锁竞争非常激烈，只要线程访问Hashtable中的任意数据就会产生竞争
ConcurrentHashMap只对写操作加锁，并且不是锁整个对象，而是对每个哈希桶分别加锁，这大大降低了锁竞争发生的概率，只有两个线程访问同一个哈希桶时才有锁冲突

②：充分利用到了CAS特性

③：对扩容方式进行了优化：扩容过程类似于写时拷贝

扩容过程中，会创建一个新的数组，它会和旧的数组同时存在一段时间
后面每一个来操作ConcurrentHashMap的线程，都会负责将一小部分元素搬运至型数组
在这个过程中，如果要查询元素，那么会在新数组和旧数组上同时进行
在这个过程中，如果要插入元素，那么只在新数组上插入
在搬运完最后一个元素时删除旧数组

二：死锁

（1）概念

死锁：所谓死锁，是指多个进程因竞争资源而造成的一种互相等待的局面，若无外力作用，这些进程将无法向前推进

举例：我拿了你房间的钥匙，而我在自己的房间；你拿了我的房间的钥匙，而你又在自己的房间。如果我要从自己的房间走出去，必须要拿到你手中的钥匙，但是你要走出来又必须要拿到我手中的钥匙，于是形成了死锁

如下是典型的死锁代码

thread1首先尝试获取locker1，获取到之后再尝试获取locker2
thread2首先尝试获取locker2，获取到之后再尝试获取locker1
thread1和thread2再尝试获取自己的第二把locker时发生死锁，因为自己想要的locker被对方持有

public class TestDemo6 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker1 = new Object();
        Object locker2 = new Object();

        Thread thread1 = new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println("线程1在尝试获取locker1");
                synchronized (locker1){
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("线程1已获取locker1现在尝试获取locker2");
                    synchronized (locker2){
                        System.out.println("线程1获取locker1和locker2成功");
                    }

                }
            }
        };

        Thread thread2 = new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println("线程2在尝试获取locker2");
                synchronized (locker2){
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("线程2已获取locker2现在尝试获取locker1");
                    synchronized (locker1){
                        System.out.println("线程2获取locker1和locker2成功");
                    }

                }
            }
        };

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在这里插入图片描述

（2）死锁产生的四个必要条件

死锁产生的四个必要条件：死锁必须同时满足以下四个条件才会发生

互斥条件
持有并等待条件
不可剥夺条件
循环等待条件（注意发生死锁一定有循环等待，但是发生循环等待未必死锁）

A：互斥条件

互斥条件：是指只有对必须互斥使用的资源抢夺时才可能导致死锁。比如打印机设备就可能导致互斥，但是像内存、扬声器则不会

在这里插入图片描述

进程A已经获得资源，进程B只能等待

B：不可剥夺条件

不可剥夺条件：是指进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放

在这里插入图片描述

C：持有并等待条件

持有并等待条件：是指进程已经至少保持了一个资源，但又提出了新的资源请求，但是该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但是对自己持有的资源保持不放

在这里插入图片描述

D：循环等待条件

循环剥夺条件：是指存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求

在这里插入图片描述

（3）如何处理预防死锁

发生死锁有4个必要条件，只要破坏其中之一就可以预防死锁。在这个4个必要条件中互斥、持有并等待和不可剥夺破坏起来都是不太现实的，所以我们一般会在循环等待这个条件上做文章

破坏循环等待条件：可以采用顺序资源分配方法。首先给系统中的资源进行编号，规定每个进程必须按照编号递增的顺序请求资源，编号相同的资源（也就是同类资源）一次申请完

这是因为一个进程只有在已经占有小编号资源的同时，才有资格申请更大编号的资源。所以已经持有大编号资源的进程不可能逆向申请小编号的资源

例如对于上面的案例，我们可以让thread1和thread2加锁的顺序一致，即都按照先locker1后locker2的方式进行加锁，这样的话就不会发生死锁了

public class TestDemo7 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker1 = new Object();
        Object locker2 = new Object();

        Thread thread1 = new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println("线程1在尝试获取locker1");
                synchronized (locker1){
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("线程1已获取locker1现在尝试获取locker2");
                    synchronized (locker2){
                        System.out.println("线程1获取locker1和locker2成功");
                    }

                }
            }
        };

        Thread thread2 = new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println("线程2在尝试获取locker1");
                synchronized (locker1){
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("线程2已获取locker1现在尝试获取locker2");
                    synchronized (locker2){
                        System.out.println("线程2获取locker1和locker2成功");
                    }

                }
            }
        };

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}