Java多線程核心知識

多線程相對於其他 Java 知識點來講，有一定的學習門檻，並且瞭解起來比較費勁。在平時工作中如若使用不當會出現數據錯亂、執行效率低（還不如單線程去運行）或者死鎖程式掛掉等等問題，所以掌握瞭解多線程至關重要。 

本文從基礎概念開始到最後的併發模型由淺入深，講解下線程方面的知識。 

概念梳理 

本節我將帶大家瞭解多線程中幾大基礎概念。 

併發與並行 

並行，表示兩個線程同時做事情。 
併發，表示一會做這個事情，一會做另一個事情，存在著調度。單核 CPU 不可能存在並行（微觀上）。 

臨界區 
臨界區用來表示一種公共資源或者說是共用數據，可以被多個線程使用。但是每一次，只能有一個線程使用它，一旦臨界區資源被占用，其他線程要想使用這個資源，就必須等待。 

阻塞與非阻塞 

阻塞和非阻塞通常用來形容多線程間的相互影響。比如一個線程占用了臨界區資源，那麼其它所有需要這個資源的線程就必須在這個臨界區中進行等待，等待會導致線程掛起。這種情況就是阻塞。此時，如果占用資源的線程一直不願意釋放資源，那麼其它所有阻塞在這個臨界區上的線程都不能工作。阻塞是指線程在操作系統層面被掛起。阻塞一般性能不好，需大約8萬個時鐘周期來做調度。非阻塞則允許多個線程同時進入臨界區。 

死鎖 

死鎖是進程死鎖的簡稱，是指多個進程迴圈等待他方占有的資源而無限的僵持下去的局面。 

活鎖 

假設有兩個線程1、2，它們都需要資源 A/B，假設1號線程占有了 A 資源，2號線程占有了 B 資源；由於兩個線程都需要同時擁有這兩個資源才可以工作，為了避免死鎖，1號線程釋放了 A 資源占有鎖，2號線程釋放了 B 資源占有鎖；此時 AB 空閑，兩個線程又同時搶鎖，再次出現上述情況，此時發生了活鎖。簡單類比，電梯遇到人，一個進的一個出的，對面占路，兩個人同時往一個方向讓路，來回重覆，還是堵著路。如果線上應用遇到了活鎖問題，恭喜你中獎了，這類問題比較難排查。 

饑餓 

饑餓是指某一個或者多個線程因為種種原因無法獲得所需要的資源，導致一直無法執行。 

線程的生命周期 

線上程的生命周期中，它要經歷創建、可運行、不可運行幾種狀態。 

創建狀態 

當用 new 操作符創建一個新的線程對象時，該線程處於創建狀態。 
處於創建狀態的線程只是一個空的線程對象，系統不為它分配資源。 

可運行狀態 

執行線程的 start() 方法將為線程分配必須的系統資源，安排其運行，並調用線程體——run()方法，這樣就使得該線程處於可運行狀態（Runnable）。 
這一狀態並不是運行中狀態（Running），因為線程也許實際上並未真正運行。 

不可運行狀態 

當發生下列事件時，處於運行狀態的線程會轉入到不可運行狀態： 

• 調用了 sleep() 方法；
• 線程調用 wait() 方法等待特定條件的滿足；
• 線程輸入/輸出阻塞；
• 返回可運行狀態；
• 處於睡眠狀態的線程在指定的時間過去後；
• 如果線程在等待某一條件，另一個對象必須通過 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待線程條件的改變；
• 如果線程是因為輸入輸出阻塞，等待輸入輸出完成。

線程的優先順序 

線程優先順序及設置 

線程的優先順序是為了在多線程環境中便於系統對線程的調度，優先順序高的線程將優先執行。一個線程的優先順序設置遵從以下原則： 

• 線程創建時，子繼承父的優先順序；
• 線程創建後，可通過調用 setPriority() 方法改變優先順序；
• 線程的優先順序是1-10之間的正整數。

線程的調度策略 

線程調度器選擇優先順序最高的線程運行。但是，如果發生以下情況，就會終止線程的運行： 

• 線程體中調用了 yield() 方法，讓出了對 CPU 的占用權；
• 線程體中調用了 sleep() 方法，使線程進入睡眠狀態；
• 線程由於 I/O 操作而受阻塞；
• 另一個更高優先順序的線程出現；
• 在支持時間片的系統中，該線程的時間片用完。

單線程創建方式 

單線程創建方式比較簡單，一般只有兩種方式：繼承 Thread 類和實現 Runnable 介面；這兩種方式比較常用就不在 Demo 了，但是對於新手需要註意的問題有： 

• 不管是繼承 Thread 類還是實現 Runable 介面，業務邏輯是寫在 run 方法裡面，線程啟動的時候是執行 start() 方法；
• 開啟新的線程，不影響主線程的代碼執行順序也不會阻塞主線程的執行；
• 新的線程和主線程的代碼執行順序是不能夠保證先後的；
• 對於多線程程式，從微觀上來講某一時刻只有一個線程在工作，多線程目的是讓 CPU 忙起來；
• 通過查看 Thread 的源碼可以看到，Thread 類是實現了 Runnable 介面的，所以這兩種本質上來講是一個；

PS：平時在工作中也可以借鑒這種代碼結構，對上層調用來講提供更多的選擇，作為服務提供方核心業務歸一維護 

為什麼要用線程池 

通過上面的介紹，完全可以開發一個多線程的程式，為什麼還要引入線程池呢。主要是因為上述單線程方式存在以下幾個問題： 

• 線程的工作周期：線程創建所需時間為 T1，線程執行任務所需時間為 T2，線程銷毀所需時間為 T3，往往是 T1+T3 大於 T2，所有如果頻繁創建線程會損耗過多額外的時間；
• 如果有任務來了，再去創建線程的話效率比較低，如果從一個池子中可以直接獲取可用的線程，那效率會有所提高。所以線程池省去了任務過來，要先創建線程再去執行的過程，節省了時間，提升了效率；
• 線程池可以管理和控制線程，因為線程是稀缺資源，如果無限制的創建，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定性，使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控；
• 線程池提供隊列，存放緩衝等待執行的任務。

大致總結了上述的幾個原因，所以可以得出一個結論就是在平時工作中，如果要開發多線程程式，儘量要使用線程池的方式來創建和管理線程。 

通過線程池創建線程從調用 API 角度來說分為兩種，一種是原生的線程池，另外該一種是通過 Java 提供的併發包來創建，後者比較簡單，後者其實是對原生的線程池創建方式做了一次簡化包裝，讓調用者使用起來更方便，但道理都是一樣的。所以搞明白原生線程池的原理是非常重要的。 

ThreadPoolExecutor 

通過 ThreadPoolExecutor 創建線程池，API 如下所示： 

1. public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue);   

先來解釋下其中的參數含義（如果看的比較模糊可以大致有個印象，後面的圖是關鍵）。 

• corePoolSize
• 核心池的大小。

在創建了線程池後，預設情況下，線程池中並沒有任何線程，而是等待有任務到來才創建線程去執行任務，除非調用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，從這兩個方法的名字就可以看出，是預創建線程的意思，即在沒有任務到來之前就創建 corePoolSize 個線程或者一個線程。預設情況下，在創建了線程池後，線程池中的線程數為0，當有任務來之後，就會創建一個線程去執行任務，當線程池中的線程數目達到 corePoolSize 後，就會把到達的任務放到緩存隊列當中。 

• maximumPoolSize

線程池最大線程數，這個參數也是一個非常重要的參數，它表示線上程池中最多能創建多少個線程。 

• keepAliveTime

表示線程沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。預設情況下，只有當線程池中的線程數大於 corePoolSize 時，keepAliveTime 才會起作用，直到線程池中的線程數不大於 corePoolSize，即當線程池中的線程數大於 corePoolSize 時，如果一個線程空閑的時間達到 keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數不超過 corePoolSize。 
但是如果調用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，線上程池中的線程數不大於 corePoolSize 時，keepAliveTime 參數也會起作用，直到線程池中的線程數為0。 

• unit

參數 keepAliveTime 的時間單位。 

• workQueue

一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，這個參數的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產生重大影響，一般來說，這裡的阻塞隊列有以下這幾種選擇：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue。 

• threadFactory

線程工廠，主要用來創建線程。 

• handler

表示當拒絕處理任務時的策略，有以下四種取值： 

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丟棄任務並拋出 RejectedExecutionException 異常；
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常；
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然後重新嘗試執行任務（重覆此過程）；
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務。

上面這些參數是如何配合工作的呢？請看下圖： 

註意圖上面的序號。 

簡單總結下線程池之間的參數協作分為以下幾步： 

• 線程優先向 CorePool 中提交；
• 在 Corepool 滿了之後，線程被提交到任務隊列，等待線程池空閑；
• 在任務隊列滿了之後 corePool 還沒有空閑，那麼任務將被提交到 maxPool 中，如果 MaxPool 滿了之後執行 task 拒絕策略。

流程圖如下： 

以上就是原生線程池創建的核心原理。除了原生線程池之外併發包還提供了簡單的創建方式，上面也說了它們是對原生線程池的一種包裝，可以讓開發者簡單快捷的創建所需要的線程池。 
Executors 

newSingleThreadExecutor 
創建一個線程的線程池，在這個線程池中始終只有一個線程存在。如果線程池中的線程因為異常問題退出，那麼會有一個新的線程來替代它。此線程池保證所有任務的執行順序按照任務的提交順序執行。 

newFixedThreadPool 
創建固定大小的線程池。每次提交一個任務就創建一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個線程因為執行異常而結束，那麼線程池會補充一個新線程。 

newCachedThreadPool 
可根據實際情況，調整線程數量的線程池，線程池中的線程數量不確定，如果有空閑線程會優先選擇空閑線程，如果沒有空閑線程並且此時有任務提交會創建新的線程。在正常開發中並不推薦這個線程池，因為在極端情況下，會因為 newCachedThreadPool 創建過多線程而耗盡 CPU 和記憶體資源。 

newScheduledThreadPool 
此線程池可以指定固定數量的線程來周期性的去執行。比如通過 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 來指定周期時間。 
PS：另外在寫定時任務時（如果不用 Quartz 框架），最好採用這種線程池來做，因為它可以保證裡面始終是存在活的線程的。 

推薦使用 ThreadPoolExecutor 方式 

在阿裡的 Java 開發手冊時有一條是不推薦使用 Executors 去創建，而是推薦去使用 ThreadPoolExecutor 來創建線程池。 
這樣做的目的主要原因是：使用 Executors 創建線程池不會傳入核心參數，而是採用的預設值，這樣的話我們往往會忽略掉裡面參數的含義，如果業務場景要求比較苛刻的話，存在資源耗盡的風險；另外採用 ThreadPoolExecutor 的方式可以讓我們更加清楚地瞭解線程池的運行規則，不管是面試還是對技術成長都有莫大的好處。 
改了變數，其他線程可以立即知道。保證可見性的方法有以下幾種： 

• volatile

加入 volatile 關鍵字的變數在進行彙編時會多出一個 lock 首碼指令，這個首碼指令相當於一個記憶體屏障，記憶體屏障可以保證記憶體操作的順序。當聲明為 volatile 的變數進行寫操作時，那麼這個變數需要將數據寫到主記憶體中。 
由於處理器會實現緩存一致性協議，所以寫到主記憶體後會導致其他處理器的緩存無效，也就是線程工作記憶體無效，需要從主記憶體中重新刷新數據。 

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