【JAVA基础】多线程与线程池

多线程与线程池

文章目录

  • 多线程与线程池
    • 1. 相关概念
      • 1.1 线程调度
      • 1.2 守护线程
    • 2. 生命周期
    • 3. 同步机制/同步锁
      • 3.1 synchronized
      • 3.2 lock
      • 3.3 synchronized 与 Lock 的对比
    • 4. 死锁
    • 5. 线程通信
      • 5.1 线程间的通信
      • 5.2 等待唤醒机制
      • 5.3 举例
      • 5.4 调用 wait 和 notify 需注意的细节
      • 5.5 生产者消费者问题
    • 6. 线程池
      • 6.1七大核心属性
      • 6.2线程池处理流程图
        • 6.2.1 线程池处理
        • 6.2.2 addWorker方法

1. 相关概念

1.1 线程调度

  • 分时调度：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
  • 抢占式调度：让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java 使用的为抢占式调度。

每个线程都有一定的优先级，同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略，获得较多的执行
机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。：

  • Thread 类的三个优先级常量：

    • MAX_PRIORITY(10)：最高优先级
    • MIN _PRIORITY (1)：最低优先级
    • NORM_PRIORITY (5)：普通优先级，默认情况下 main 线程具有普通优先级

1.2 守护线程

有一种线程，它是在后台运行的，它的任务是为其他线程提供服务的，这种线程被称为“守护线程”。JVM 的垃圾回收线程就是典型的守护线程。守护线程有个特点，就是如果所有非守护线程都死亡，那么守护线程自动死亡。形象理解：兔死狗烹，鸟尽弓藏

2. 生命周期

在 java.lang.Thread.State 的枚举类中这样定义：

public enum State {NEW,RUNNABLE,BLOCKED,WAITING,TIMED_WAITING,TERMINATED;
}

  • NEW（新建）：线程刚被创建，但是并未启动。还没调用 start 方法。

  • RUNNABLE（可运行）：这里没有区分就绪和运行状态。因为对于 Java 对象来说，只能标记为可运行，至于什么时候运行，不是 JVM 来控制的了，是 OS 来进行调度的，而且时间非常短暂，因此对于 Java 对象的状态来说，无法区分。

  • Teminated（被终止）：表明此线程已经结束生命周期，终止运行。

  • BLOCKED（锁阻塞）：在 API 中的介绍为：一个正在阻塞、等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。只有获得锁对象的线程才能有执行机会。

    比如，线程 A 与线程 B 代码中使用同一锁，如果线程 A 获取到锁，线程 A 进入到 Runnable 状态，那么线程 B 就进入到 Blocked锁阻塞状态。

  • TIMED_WAITING（计时等待）：在 API 中的介绍为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。

    当前线程执行过程中遇到 Thread 类的 sleep 或 join，Object 类的 wait，LockSupport 类的 park 方法，并且在调用这些方法时，设置了时间，那么当前线程会进入 TIMED_WAITING，直到时间到，或被中断。

  • WAITING（无限等待）：在 API 中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

    当前线程执行过程中遇到遇到 Object 类的 wait，Thread 类的join，LockSupport 类的 park 方法，并且在调用这些方法时，没有指定时间，那么当前线程会进入 WAITING 状态，直到被唤醒。

说明：当从 WAITING 或 TIMED_WAITING 恢复到 Runnable 状态时，如果发现当前线程没有得到监视器锁，那么会立刻转入 BLOCKED 状态。

在这里插入图片描述

3. 同步机制/同步锁

3.1 synchronized

同步锁对象可以是任意类型，但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。

3.2 lock

  • 保证线程的安全。与采用 synchronized 相比，Lock 可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock 通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock 对象充当。

  • java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象。

  • 在实现线程安全的控制中，比较常用的是 ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

    ReentrantLock 类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。

3.3 synchronized 与 Lock 的对比

  1. Lock 是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized 是隐式锁，出了作用域、遇到异常等自动解锁

  2. Lock 只有代码块锁，synchronized 有代码块锁和方法锁

  3. 使用 Lock 锁，JVM 将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类，读写锁等），更体现面向对象。

说明：开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为：Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法

4. 死锁

同步机制带来的死锁问题：不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁。

  • 互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
  • 请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
  • 不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
  • 循环等待：存在一个进程或线程的资源申请序列，使得每个进程或线程都在等待下一个进程或线程所持有的资源。

解决死锁：死锁一旦出现，基本很难人为干预，只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。

  • 针对互斥条件：互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。
  • 针对请求和保持条件：可以考虑一次性申请所有所需的资源，这样就不存在等待的问题。
  • 针对不剥夺条件：占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时，如果申请不到，就主动释放掉已经占用的资源。
  • 针对循环等待：可以将资源改为线性顺序。申请资源时，先申请序号较小的，这样避免循环等待问题。

5. 线程通信

5.1 线程间的通信

当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行，那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。

比如：线程 A 用来生产包子的，线程 B 用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程 A 与线程 B 处理的动作，一个是生产，一个是消费，此时 B 线程必须等到 A 线程完成后才能执行，那么线程 A 与线程 B 之间就需要线程通信，即—— 等待唤醒机制。

5.2 等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait() / wait(time)）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait 的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

  1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态是 WAITING 或 TIMED_WAITING。它
    还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即“通知（notify）”或者等待时间到，在这个对象上等待的线程从 wait set 中释放出来，重新进入到调度队（ready queue）中
  2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
  3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：被通知的线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以它需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

  • 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE（可运行）状态；
  • 否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁） 状态

注意：在JUC中将会学到更多有关等待唤醒机制的类与方法，建议使用JUC中学习到的

5.3 举例

例题：使用两个线程打印 1-100。线程 1, 线程 2 交替打印

class Communication implements Runnable {int i = 1;public void run() {while (true) {synchronized (this) {notify();if (i <= 100) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);} else break;try {wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

5.4 调用 wait 和 notify 需注意的细节

  1. wait 方法与 notify 方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过 notify 唤醒使用同一个锁对象调用的 wait 方法后的线程。
  2. wait 方法与 notify 方法是属于 Object 类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了 Object 类的。
  3. wait 方法与 notify 方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这 2 个方法。否则会报 java.lang.IllegalMonitorStateException 异常。

5.5 生产者消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。生产者与消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个（多个）共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。

生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

举例：

生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题：

  • 线程安全问题：因为生产者与消费者共享数据缓冲区，产生安全问题。不过这个问题可以使用同步解决。
  • 线程的协调工作问题：要解决该问题，就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候，通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态，重新开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。

代码实现：

public class ConsumerProducerTest {public static void main(String[] args) {Clerk clerk = new Clerk();Producer p1 = new Producer(clerk);Consumer c1 = new Consumer(clerk);Consumer c2 = new Consumer(clerk);p1.setName("生产者 1");c1.setName("消费者 1");c2.setName("消费者 2");p1.start();c1.start();c2.start();}
}//生产者
class Producer extends Thread{private Clerk clerk;public Producer(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {System.out.println("=========生产者开始生产产品========");while(true){try {Thread.sleep(40);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//要求 clerk 去增加产品clerk.addProduct();}}
}//消费者
class Consumer extends Thread{private Clerk clerk;public Consumer(Clerk clerk){this.clerk = clerk;}@Overridepublic void run() {System.out.println("=========消费者开始消费产品========");while(true){try {Thread.sleep(90);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//要求 clerk 去减少产品clerk.minusProduct();}}
}//资源类，缓冲区
class Clerk {private int productNum = 0;//产品数量private static final int MAX_PRODUCT = 20;private static final int MIN_PRODUCT = 1;//增加产品public synchronized void addProduct() {if(productNum < MAX_PRODUCT){productNum++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"生产了第" + productNum + "个产品");//唤醒消费者this.notifyAll();}else{try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}//减少产品public synchronized void minusProduct() {if(productNum >= MIN_PRODUCT){System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"消费了第" + productNum + "个产品");productNum--;//唤醒生产者this.notifyAll();}else{try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

6. 线程池

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要的代价较高。

思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

注意：线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显示创建线程。

引用阿里《Java开发手册》中的一段描述：

【强制】线程池不允许使用Executors创建，建议通过ThreadPoolExecutor的方式创建，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

说明：Executors返回的线程池对象的弊端如下：

1.FixedThreadPool和SingleThreadPool:

允许的请求队列长度为Integet.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求从而导致OOM;

2.CachedThreadPool:

允许创建线程数量为Integet.MAX_VALUE,可能会创建大量的线程，从而导致OOM.

6.1七大核心属性

  1. corePoolSize(int)：核心线程数量。默认情况下，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到任务队列当中。线程池将长期保证这些线程处于存活状态，即使线程已经处于闲置状态。除非配置了allowCoreThreadTimeOut=true，核心线程数的线程也将不再保证长期存活于线程池内，在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。
  2. workQueue：阻塞队列，存放等待执行的任务，线程从workQueue中取任务，若无任务将阻塞等待。当线程池中线程数量达到corePoolSize后，就会把新任务放到该队列当中。JDK提供了四个可直接使用的队列实现，分别是：基于数组的有界队列ArrayBlockingQueue、基于链表的无界队列LinkedBlockingQueue、只有一个元素的同步队列SynchronousQueue、优先级队列PriorityBlockingQueue。在实际使用时一定要设置队列长度。
  3. maximumPoolSize(int)：线程池内的最大线程数量，线程池内维护的线程不得超过该数量，大于核心线程数量小于最大线程数量的线程将在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。当阻塞队列存满后，将会创建新线程执行任务，线程的数量不会大于maximumPoolSize。
  4. keepAliveTime(long)：线程存活时间，若线程数超过了corePoolSize，线程闲置时间超过了存活时间，该线程将被销毁。除非配置了allowCoreThreadTimeOut=true，核心线程数的线程也将不再保证长期存活于线程池内，在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。
  5. TimeUnit unit：线程存活时间的单位，例如TimeUnit.SECONDS表示秒。
  6. RejectedExecutionHandler：拒绝策略，当任务队列存满并且线程池个数达到maximunPoolSize后采取的策略。ThreadPoolExecutor中提供了四种拒绝策略，分别是：抛RejectedExecutionException异常的AbortPolicy(默认策略)、使用调用者所在线程来运行任务CallerRunsPolicy、丢弃一个等待执行的任务，然后尝试执行当前任务DiscardOldestPolicy、不动声色的丢弃并且不抛异常DiscardPolicy。项目中如果为了更多的用户体验，可以自定义拒绝策略。
  7. threadFactory：创建线程的工厂，虽说JDK提供了线程工厂的默认实现DefaultThreadFactory，但还是建议自定义实现最好，这样可以自定义线程创建的过程，例如线程分组、自定义线程名称等以进行线程监控。

6.2线程池处理流程图

6.2.1 线程池处理

在这里插入图片描述

拒绝策略：RejectedExecutionHandler

当任务队列和线程池都满了时所采取的应对策略，默认是AbordPolicy，表示无法处理新任务，并抛出RejectedExecutionException异常。此外还有3种策略：

  • CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程处理任务。此策略提供简单的反馈机制，能够减缓新任务的提交速度。
  • DiscardPolicy：不能执行任务，并将任务删除。
  • DiscardOldestPolicy：丢弃队列最近的任务，并执行当前的任务。
6.2.2 addWorker方法

该方法返回false则会执行拒绝策略方法

主流程图：

在这里插入图片描述

流程中去除一些异常情况，只留了主要流程，流程中有一步验证线程数大于核心线程或者最大线程数，如果传递的参数core等于true那么运行线程数量不能大于核心线程数量，如果为false则当前线程数量不能大于最大。

addWorker只有两个作用：增加工作线程数量、创建一个Worker并加到工作线程集合中。

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