Java 线程相关类

摘要：提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可把不安全的整个变量封装进，或者把该对象与线程相关的状态使用保存并不能替代同步机制，两者面向的问题领域不同。

使用ThreadLocal类可以简化多线程编程时的并发访问，使用这个工具类可以很简捷地隔离多线程程序的竞争资源。Java5之后，为ThreadLocal类增加了泛型支持，即ThreadLocal

ThreadLocal，是Thread Local Variable (线程局部变量) 的意思。功能就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，使每一个线程都可以独立的改变自己的副本，而不会与其他线程的副本冲突。从线程的角度看，就好像每一个线程都完全拥有该变量一样

ThreadLocal类的三个public方法：

T get()：返回此线程局部变量中当前线程副本中的值

void remove()：删除此线程局部变量中当前线程的值

void set(T value)：设置此线程局部变量中当前线程副本中的值

class Account
{
    /* 定义一个ThreadLocal类型的变量，该变量将是一个线程局部变量
    每个线程都会保留该变量的一个副本 */
    private ThreadLocal name = new ThreadLocal<>();
    // 定义一个初始化name成员变量的构造器
    public Account(String str)
    {
        this.name.set(str);
        // 下面代码用于访问当前线程的name副本的值
        System.out.println("---" + this.name.get());
    }
    // name的setter和getter方法
    public String getName()
    {
        return name.get();
    }
    public void setName(String str)
    {
        this.name.set(str);
    }
}

class MyTest extends Thread
{
    // 定义一个Account类型的成员变量
    private Account account;
    public MyTest(Account account, String name)
    {
        super(name);
        this.account = account;
    }
    public void run()
    {
        // 循环10次
        for (int i = 0 ; i < 10 ; i++)
        {
            // 当i == 6时输出将账户名替换成当前线程名
            if (i == 6)
            {
                account.setName(getName());
            }
            // 输出同一个账户的账户名和循环变量
            System.out.println(account.getName() + " 账户的i值：" + i);
        }
    }
}
public class ThreadLocalTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 启动两条线程，两条线程共享同一个Account
        Account at = new Account("初始名");
        /*
        虽然两条线程共享同一个账户，即只有一个账户名
        但由于账户名是ThreadLocal类型的，所以每条线程
        都完全拥有各自的账户名副本，所以从i == 6之后，将看到两条
        线程访问同一个账户时看到不同的账户名。
        */
        new MyTest(at, "线程甲").start();
        new MyTest(at, "线程乙").start ();
    }
}

上述程序，由于其中的账户名是一个ThreadLocal变量，所以虽然程序中只有一个Account对象，但两个子线程将会产生两个账户名（主线程持有一个账户名的副本）。程序实际上账户名有三个副本，主线程一个，另外启动的两个线程各一个，它们的值互不干扰，每个线程完全拥有自己的ThreadLocal变量

ThreadLocal将需要并发访问的资源复制多份，每个线程拥有一份资源，每个线程都拥有自己的资源副本，从而也就没有必要对该变量进行同步。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可把不安全的整个变量封装进ThreadLocal，或者把该对象与线程相关的状态使用LocalThread保存

ThreadLocal并不能替代同步机制，两者面向的问题领域不同。同步机制是为了同步多个线程对相同资源的并发访问，是多个线程之间进行通信的有效方式；而ThreadLocal是为了隔离多个线程的数据共享，从根本上避免多个线程之间对共享资源的竞争

如果多个线程之间需要共享资源，以达到线程之间的通信功能就使用同步机制；如果仅仅需要隔离多个线程之间的共享冲突，则可以使用ThreadLocal

对于Set、List、Queue和Map四种集合，最常用的是HashSet、TreeSet、ArrayList、ArrayQueue、LinkedList和HashMap、TreeMap等实现类。其中Vector、HashTable、Properties是线程安全的。其中ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet、HashMap、TreeMap等都是线程不安全的，当多个并发向这些集合中存、取元素时，就可能会破坏这些集合的数据完整性

使用Collections提供的类方法把这些集合包装成线程安全的集合。Collections提供了如下几个静态方法：

Collection synchronizedCollection(Collection c)：返回指定collection对应的线程安全的collection

static List synchronizedList(List list)：返回指定List对象对应的线程安全的List对象

static Map synchronizedMap(Map m)：返回指定Map对象对应的线程安全的Map对象

static Set synchronizedSet(Set s)：返回指定Set对象对应的线程安全的Set对象

static SortedMap synchronizedSortedMap(SortedMap m)：返回指定SortedMap对象对应的线程安全的SortedMap对象

static SortedSet synchronizedSortedSet(SortedSet s)：返回指定SortedSet对象对应的线程安全的SortedSet对象

例如需要在多线程里使用线程安全的HashMap对象(如果需要把某个集合包装成线程安全的集合，则应该在创建之后立即包装，如下程序所示)，则可以采用如下代码：

// 使用Collections 的 synchronizedMap 方法将一个普通的HashMap包装成线程安全的类
HashMap m = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

java.util.concurrent包下提供了大量支持高效并发访问的集合接口和实现类：

线程安全的集合类可以分为两类：

以Concurrent开头的集合类，如ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet、ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque

以CopyOnWrite开头的集合类，如CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet

其中以Concurrent开头的集合类代表了支持并发访问的集合，它们可以支持多个线程并发写入访问，这些写入线程的所有操作都是线程安全的，但读取操作不必锁定

当多个线程共享访问一个公共集合时，ConcurrentLinkedQueue是一个恰当的选择。它不允许null元素，实现了多线程的高效访问，多个线程访问ConcurrentLinkedQueue集合时无需等待

在默认情况下，ConcurrentHashMap支持16个线程并发写入，当有超过16 个线程并发向该Map 中写入数据时，可能有一些线程需要等待。程序通过设置concurrentLevel构造参数(默认值为16)来支持更多的并发写入线程

由于CopyOnWriteArraySet底层封装的是CopyOnWriteArrayList, 因此他的实现机制完全类似于CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList采用复制底层数组的方式来实现写操作

当线程对CopyOnWriteArrayList集合执行读取操作时, 线程会直接读取集合本身, 无须加锁和阻塞

当线程对CopyOnWriteArrayList集合执行写入操作(add/remove/set)时, 该集合会在底层复制一份新的数组, 然后对新的数组执行写入操作。由于对CopyOnWriteArrayList的写入是针对副本执行, 因此它是线程安全的

注意: 由于CopyOnWriteArrayList的写入操作需要频繁的复制数组，因此写入性能较差；但由于读操作不用加锁(不是同一个数组)，因此读操作非常快。综上所述，CopyOnWriteArrayList适合在读取操作远远大于写操作的场景中, 如缓存等