多线程原理及其使用总结

多线程原理及其使用总结

本文目录如下:

一，线程

1.线程及其调度
2.线程的使用语法
2.1Thread类
2.2 Runnable接口
3.线程的六种状态及其通信
3.1 Timed Waiting（计时等待）
3.2 BLOCKED（锁阻塞）
3.3 Waiting（无限等待）
3.4 状态综合关系
3.5 线程间通信

二.多线程

1.线程安全
1.1 安全问题：
1.2 线程同步
2.线程池
2.1 线程池概念
2.2 线程池的使用
2.3线程池的工作原理

正文如下:

一.线程

1.线程及其调度
进程：对于单核cpu，只能并发的执行多个进程。一个运行程序包含多个进程。进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。
线程：进程内部的一个独立执行单元；一个进程可以并发的运行多个线程，可以理解为一个进程便相当于一个单 CPU 操作系统，而线程便是这个系统中运行的多个任务。
进程与线程的区别
进程：有独立的内存空间，进程中的数据存放空间（堆空间和栈空间）是独立的，至少有一个线程。
线程：堆空间是共享的，栈空间是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。
Java 程序的进程里面至少包含两个线程，主进程也就是 main()方法线程，另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时，实际上都会启动一个 JVM，每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程，java 本身具备了垃圾的收集机制，所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多，那么我们在开发多任务运行的时候，通常考虑创建多线程，而不是创建多进程。
线程调度:
计算机通常只有一个CPU时,在任意时刻只能执行一条计算机指令,每一个进程只有获得CPU的使用权才能执行指令。所谓多进程并发运行,从微观上看,其实是各个进程轮流获得CPU的使用权,分别执行各自的任务。那么,在可运行池中,会有多个线程处于就绪状态等到CPU,JVM就负责了线程的调度。JVM采用的是抢占式调度,没有采用分时调度,因此可以能造成多线程执行结果的的随机性。

2.线程的使用语法

创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式

2.1Thread类

构造方法：

public Thread():分配一个新的线程对象。
public Thread(String name):分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target):分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name):分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

public String getName():获取当前线程名称。
public static Thread currentThread():返回对当前正在执行的线程对象的引用。
public void start():导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run():此线程要执行的任务在此处定义代码。
public static void sleep(long millis):使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。

2.2 Runnable接口

采用java.lang.Runnable也是非常常见的一种，我们只需要重写run方法即可。
步骤如下：
定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。
调用线程对象的start()方法来启动线程。
代码如下：
//定义Runnable接口的实现类

public class MyRunnable implements Runnable{
  @Override
  public void run() {
  for (int i = 0; i < 20; i++) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
  }
  }
 }

//测试类

 public class Demo {
     public static void main(String[] args) {
         //创建自定义类对象 线程任务对象
         MyRunnable mr = new MyRunnable();
         //创建线程对象
         Thread t = new Thread(mr, "小强");
         t.start();
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println("旺财 " + i);
        }
    }
 }

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：
适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

3.线程的六种状态及其通信

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，有几种状态呢？在API中java.lang.Thread.State这个枚举中给出了六种线程状态：
这里先列出各个线程状态发生的条件，下面将会对每种状态进行详细解析
线程状态 导致状态发生条件
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) 线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。
Blocked(锁阻塞) 当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。
Waiting(无限等待) 一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。通过wait()方法进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
Timed Waiting(计时等待) 同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、Object.wait。
Teminated(被终止) 因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

我们不需要去研究这几种状态的实现原理，我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几个状态呢，新建与被终止还是很容易理解的，我们就研究一下线程从Runnable（可运行）状态与非运行状态之间的转换问题。

3.1 Timed Waiting（计时等待）

Timed Waiting在API中的描述为：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。单独的去理解这句话，真是玄之又玄，其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了，在哪里呢？
在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。
其实当我们调用了sleep方法之后，当前执行的线程就进入到“休眠状态”，其实就是所谓的Timed Waiting(计时等待)，那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。
实现一个计数器，计数到100，在每个数字之间暂停1秒，每隔10个数字输出一个字符串
代码：

public class MyThread extends Thread {
     public void run() {
         for (int i = 0; i < 100; i++) {
             if ((i) % 10 == 0) {
                 System.out.println("-------" + i);
            }
             System.out.print(i);
             try {
                 Thread.sleep(1000);
              System.out.print("   线程睡眠1秒！\n");
            } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
            }
        }
    }
     public static void main(String[] args) {
         new MyThread().start();
    }
 }

通过案例可以发现，sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：
进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协作关系。
为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠
sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。
小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行。
Timed Waiting 线程状态图：

3.2 BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在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。
我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。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。
这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。
Blocked 线程状态图

3.3 Waiting（无限等待）

Wating状态在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。
那么我们之前遇到过这种状态吗？答案是并没有，但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来学习一下：

 public class WaitingTest {
     public static Object obj = new Object();
 ​
     public static void main(String[] args) {
         // 演示waiting
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 while (true){
                     synchronized (obj){
                         try {
                             System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象，调用wait方法，进入waiting状态，释放锁对象");
                             obj.wait();  //无限等待
                             //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来
 ​
                        } catch (InterruptedException e) {
                             e.printStackTrace();
                        }
                         System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
                    }
                }
            }
        },"等待线程").start();
 ​
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
 //               while (true){   //每隔3秒 唤醒一次
 ​
                     try {
                         System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"----- 等待3秒钟");
                         Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                         e.printStackTrace();
                    }
 ​
                     synchronized (obj){
                         System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"----- 获取到锁对象,调用notify方法，释放锁对象");
                         obj.notify();
                    }
                }
 //           }
        },"唤醒线程").start();
    }
 }

通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的 Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。
其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。
Waiting 线程状态图

3.4 状态综合关系

一条有意思的tips:
我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待） 与 Waiting（无限等待） 状态联系还是很紧密的，比如Waiting（无限等待） 状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待） 中wait方法是带参的。这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。

3.5 线程间通信

概念：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。

为什么要处理线程间通信：
多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的
如果我们希望他们有规律的执行, 就可以使用等待唤醒机制来实现有效通信, 例如生产和消费包子的案例
如何保证线程间通信有效利用资源：
多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

什么是等待唤醒机制
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。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;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。

等待唤醒中的方法
等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：
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，这时的线程状态即是 WAITING。它还要执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中

notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：
哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，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，所以她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。

总结如下：
如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态
调用wait和notify方法需要注意的细节
如果希望线程等待, 就调用wait()
如果希望唤醒等待的线程, 就调用notify()或者notifyAll();
这两个方法必须在同步代码中执行, 并且使用同步锁对象来调用

二.多线程

1.线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

1.1 安全问题：
我们通过一个案例，演示线程的安全问题：
我们模拟电影院的卖100张票过程。
需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

实现Runnable接口接受任务：

public class Ticket implements Runnable {
     private int ticket = 100;
     @Override
     public void run() {
         //每个窗口卖票的操作
         //窗口 永远开启
         while (true) {
             if (ticket > 0) {
                 //出票操作
                 //使用sleep模拟一下出票时间
                 try {
                     Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                }
                 //获取当前线程对象的名字
                 String name = Thread.currentThread().getName();
                 System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
            }
        }
    }
 }

测试类：

 public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
  //创建线程任务对象
  Ticket ticket = new Ticket();
  //创建三个窗口对象
  Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
  Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
  Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
 
  //同时卖票
  t1.start();
  t2.start();
  t3.start();
  }
 }

结果中有一部分这样现象：

发现程序出现了两个问题：
相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。
这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

1.2 线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票的问题，Java中提供了同步机制(synchronized)来解决。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。
那么怎么去使用呢？有三种方式完成同步操作：
同步代码块。
同步方法。
锁机制。

1.同步代码块

同步代码块：synchronized关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}

同步锁:

对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.
锁对象 可以是任意类型。
多个线程对象 要使用同一把锁。
注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。
使用同步代码块解决代码：

 public class Ticket implements Runnable{
  private int ticket = 100;

  Object lock = new Object();
  
  @Override
  public void run() {

  while(true){
  synchronized (lock) {
  if(ticket>0){
  try {
  Thread.sleep(50);
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  }
  //获取当前线程对象的名字
  String name = Thread.currentThread().getName();
  System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
  }
  }
  }
  }
 }

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

2 同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

格式：

 public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
 }

同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。
同步方法中的锁对象只是没有显现出来。当要与同步代码块一起实行多线程挣锁对象时便能体现，同步代码块的锁对象必须如上所述，按方法是否为静态划分。

使用同步方法代码如下：

public class Ticket implements Runnable{
  private int ticket = 100;
  /*
  * 执行卖票操作
  */
  @Override
  public void run() {
  while(true){
  sellTicket();
  }
  }
  /*
  * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁
  *   隐含 锁对象 就是 this
  *    
  */
  public synchronized void sellTicket(){
         if(ticket>0){
             try {
              Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
            }
             //获取当前线程对象的名字
             String name = Thread.currentThread().getName();
             System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
        }
  }
 }

3. Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。
Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：
public void lock():加同步锁。
public void unlock():释放同步锁。

锁对象：
Lock lock = new ReentrantLock();
使用如下：

public class Ticket implements Runnable{
  private int ticket = 100;
 
  Lock lock = new ReentrantLock();
  /*
  * 执行卖票操作
  */
  @Override
  public void run() {
  //每个窗口卖票的操作
  //窗口 永远开启
  while(true){
  lock.lock();
  if(ticket>0){//有票 可以卖
  //出票操作
  //使用sleep模拟一下出票时间
  try {
  Thread.sleep(50);
  } catch (InterruptedException e) {
  // TODO Auto-generated catch block
  e.printStackTrace();
  }
  //获取当前线程对象的名字
  String name = Thread.currentThread().getName();
  System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
  }
  lock.unlock();
  }
  }
 }

2.线程池

2.1 线程池概念

线程池：其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。
由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的，我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理：

合理利用线程池能够带来三个好处：
降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。

2.2 线程池的使用
Java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService。
要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。
Executors类中有个创建线程池的方法如下：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)
获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：
public Future submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象，并执行
Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。
使用线程池中线程对象的步骤：
创建线程池对象。
创建Runnable接口子类对象。(task)
提交Runnable接口子类对象。(take task)
关闭线程池(一般不做)。
Runnable实现类代码：

 public class MyRunnable implements Runnable {
     @Override
     public void run() {
         System.out.println("我要一个教练");
         try {
             Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
        }
         System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName());
         System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池");
    }
 }

线程池测试类：

 public class ThreadPoolDemo {
     public static void main(String[] args) {
         // 创建线程池对象
         ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
         // 创建Runnable实例对象
         MyRunnable r = new MyRunnable();
 ​
         //自己创建线程对象的方式
         // Thread t = new Thread(r);
         // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()
 ​
         // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
         service.submit(r);
         // 再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run()
         service.submit(r);
         service.submit(r);
         // 注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。
         // 将使用完的线程又归还到了线程池中
         // 关闭线程池
         //service.shutdown();
    }
 }

2.3线程池的工作原理
我们在工作中或多或少都使用过线程池，但是为什么要使用线程池呢？从他的名字中我们就应该知道，线程池使用了一种池化技术，和很多其他池化技术一样，都是为了更高效的利用资源，例如链接池，内存池等等。
数据库链接是一种很昂贵的资源，创建和销毁都需要付出高昂的代价，为了避免频繁的创建数据库链接，所以产生了链接池技术。优先在池子中创建一批数据库链接，有需要访问数据库时，直接到池子中去获取一个可用的链接，使用完了之后再归还到链接池中去。
同样的，线程也是一种宝贵的资源，并且也是一种有限的资源，创建和销毁线程也同样需要付出不菲的代价。我们所有的代码都是由一个一个的线程支撑起来的，如今的芯片架构也决定了我们必须编写多线程执行的程序，以获取最高的程序性能。
那么怎样高效的管理多线程之间的分工与协作就成了一个关键问题，Doug Lea 大神为我们设计并实现了一款线程池工具，通过该工具就可以实现多线程的能力，并实现任务的高效执行与调度。
为了正确合理的使用线程池工具，我们有必要对线程池的原理进行了解。
主要从三个方面来对线程池原理进行分析：线程池状态、重要属性、工作流程。

线程池状态

首先线程池是有状态的，这些状态标识这线程池内部的一些运行情况，线程池的开启到关闭的过程就是线程池状态的一个流转的过程。
线程池共有五种状态：

状态 含义:

重要属性
一个线程池的核心参数有很多，每个参数都有着特殊的作用，各个参数聚合在一起后将完成整个线程池的完整工作。
1、线程状态和工作线程数量
首先线程池是有状态的，不同状态下线程池的行为是不一样的，5种状态已经在上面说过了。
另外线程池肯定是需要线程去执行具体的任务的，所以在线程池中就封装了一个内部类 Worker 作为工作线程，每个 Worker 中都维持着一个 Thread。
线程池的重点之一就是控制线程资源合理高效的使用，所以必须控制工作线程的个数，所以需要保存当前线程池中工作线程的个数。
看到这里，你是否觉得需要用两个变量来保存线程池的状态和线程池中工作线程的个数呢？但是在 ThreadPoolExecutor 中只用了一个 AtomicInteger 型的变量就保存了这两个属性的值，那就是 ctl。

ctl 的高3位用来表示线程池的状态(runState)，低29位用来表示工作线程的个数(workerCnt)，为什么要用3位来表示线程池的状态呢，原因是线程池一共有5种状态，而2位只能表示出4种情况，所以至少需要3位才能表示得了5种状态。

2、核心线程数和最大线程数
现在有了标志工作线程的个数的变量了，那到底该有多少个线程才合适呢？线程多了浪费线程资源，少了又不能发挥线程池的性能。
为了解决这个问题，线程池设计了两个变量来协作，分别是：
核心线程数：corePoolSize 用来表示线程池中的核心线程的数量，也可以称为可闲置的线程数量
最大线程数：maximumPoolSize 用来表示线程池中最多能够创建的线程数量
现在我们有一个疑问，既然已经有了标识工作线程的个数的变量了，为什么还要有核心线程数、最大线程数呢？
其实你这样想就能够理解了，创建线程是有代价的，不能每次要执行一个任务时就创建一个线程，但是也不能在任务非常多的时候，只有少量的线程在执行，这样任务是来不及处理的，而是应该创建合适的足够多的线程来及时的处理任务。随着任务数量的变化，当任务数明显很小时，原本创建的多余的线程就没有必要再存活着了，因为这时使用少量的线程就能够处理的过来了，所以说真正工作的线程的数量，是随着任务的变化而变化的。
那核心线程数和最大线程数与工作线程个数的关系是什么呢？

工作线程的个数可能从0到最大线程数之间变化，当执行一段时间之后可能维持在 corePoolSize，但也不是绝对的，取决于核心线程是否允许被超时回收。

3、创建线程的工厂
既然是线程池，那自然少不了线程，线程该如何来创建呢？这个任务就交给了线程工厂 ThreadFactory 来完成。

4、缓存任务的阻塞队列
上面我们说了核心线程数和最大线程数，并且也介绍了工作线程的个数是在0和最大线程数之间变化的。但是不可能一下子就创建了所有线程，把线程池装满，而是有一个过程，这个过程是这样的：
当线程池接收到一个任务时，如果工作线程数没有达到corePoolSize，那么就会新建一个线程，并绑定该任务，直到工作线程的数量达到 corePoolSize 前都不会重用之前的线程。
当工作线程数达到 corePoolSize 了，这时又接收到新任务时，会将任务存放在一个阻塞队列中等待核心线程去执行。为什么不直接创建更多的线程来执行新任务呢，原因是核心线程中很可能已经有线程执行完自己的任务了，或者有其他线程马上就能处理完当前的任务，并且接下来就能投入到新的任务中去，所以阻塞队列是一种缓冲的机制，给核心线程一个机会让他们充分发挥自己的能力。另外一个值得考虑的原因是，创建线程毕竟是比较昂贵的，不可能一有任务要执行就去创建一个新的线程。
所以我们需要为线程池配备一个阻塞队列，用来临时缓存任务，这些任务将等待工作线程来执行。

5、非核心线程存活时间
上面我们说了当工作线程数达到 corePoolSize 时，线程池会将新接收到的任务存放在阻塞队列中，而阻塞队列又两种情况：一种是有界的队列，一种是无界的队列。
如果是无界队列，那么当核心线程都在忙的时候，所有新提交的任务都会被存放在该无界队列中，这时最大线程数将变得没有意义，因为阻塞队列不会存在被装满的情况。
如果是有界队列，那么当阻塞队列中装满了等待执行的任务，这时再有新任务提交时，线程池就需要创建新的“临时”线程来处理，相当于增派人手来处理任务。
但是创建的“临时”线程是有存活时间的，不可能让他们一直都存活着，当阻塞队列中的任务被执行完毕，并且又没有那么多新任务被提交时，“临时”线程就需要被回收销毁，在被回收销毁之前等待的这段时间，就是非核心线程的存活时间，也就是 keepAliveTime 属性。
那么什么是“非核心线程”呢？是不是先创建的线程就是核心线程，后创建的就是非核心线程呢？
其实核心线程跟创建的先后没有关系，而是跟工作线程的个数有关，如果当前工作线程的个数大于核心线程数，那么所有的线程都可能是“非核心线程”，都有被回收的可能。
一个线程执行完了一个任务后，会去阻塞队列里面取新的任务，在取到任务之前它就是一个闲置的线程。
取任务的方法有两种，一种是通过 take() 方法一直阻塞直到取出任务，另一种是通过 poll(keepAliveTime，timeUnit) 方法在一定时间内取出任务或者超时，如果超时这个线程就会被回收，请注意核心线程一般不会被回收。
那么怎么保证核心线程不会被回收呢？还是跟工作线程的个数有关，每一个线程在取任务的时候，线程池会比较当前的工作线程个数与核心线程数：
如果工作线程数小于当前的核心线程数，则使用第一种方法取任务，也就是没有超时回收，这时所有的工作线程都是“核心线程”，他们不会被回收；
如果大于核心线程数，则使用第二种方法取任务，一旦超时就回收，所以并没有绝对的核心线程，只要这个线程没有在存活时间内取到任务去执行就会被回收。
所以每个线程想要保住自己“核心线程”的身份，必须充分努力，尽可能快的获取到任务去执行，这样才能逃避被回收的命运。
核心线程一般不会被回收，但是也不是绝对的，如果我们设置了允许核心线程超时被回收的话，那么就没有核心线程这种说法了，所有的线程都会通过 poll(keepAliveTime, timeUnit) 来获取任务，一旦超时获取不到任务，就会被回收，一般很少会这样来使用，除非该线程池需要处理的任务非常少，并且频率也不高，不需要将核心线程一直维持着。

6、拒绝策略
虽然我们有了阻塞队列来对任务进行缓存，这从一定程度上为线程池的执行提供了缓冲期，但是如果是有界的阻塞队列，那就存在队列满的情况，也存在工作线程的数据已经达到最大线程数的时候。如果这时候再有新的任务提交时，显然线程池已经心有余而力不足了，因为既没有空余的队列空间来存放该任务，也无法创建新的线程来执行该任务了，所以这时我们就需要有一种拒绝策略，即 handler。
拒绝策略是一个 RejectedExecutionHandler 类型的变量，用户可以自行指定拒绝的策略，如果不指定的话，线程池将使用默认的拒绝策略：抛出异常。
在线程池中还为我们提供了很多其他可以选择的拒绝策略：
直接丢弃该任务;
使用调用者线程执行该任务;
丢弃任务队列中的最老的一个任务，然后提交该任务。

工作流程
了解了线程池中所有的重要属性之后，现在我们需要来了解下线程池的工作流程了。

上图是一张线程池工作的精简图，实际的过程比这个要复杂的多，不过这些应该能够完全覆盖到线程池的整个工作流程了。
整个过程可以拆分成以下几个部分：

1、提交任务
当向线程池提交一个新的任务时，线程池有三种处理情况，分别是：创建一个工作线程来执行该任务、将任务加入阻塞队列、拒绝该任务。
提交任务的过程也可以拆分成以下几个部分：
当工作线程数小于核心线程数时，直接创建新的核心工作线程；
当工作线程数不小于核心线程数时，就需要尝试将任务添加到阻塞队列中去；
如果能够加入成功，说明队列还没有满，那么需要做以下的二次验证来保证添加进去的任务能够成功被执行；
验证当前线程池的运行状态，如果是非RUNNING状态，则需要将任务从阻塞队列中移除，然后拒绝该任务；
验证当前线程池中的工作线程的个数，如果为0，则需要主动添加一个空工作线程来执行刚刚添加到阻塞队列中的任务；
如果加入失败，则说明队列已经满了，那么这时就需要创建新的“临时”工作线程来执行任务；
如果创建成功，则直接执行该任务；
如果创建失败，则说明工作线程数已经等于最大线程数了，则只能拒绝该任务了。
整个过程可以用下面这张图来表示：

2、创建工作线程
创建工作线程需要做一系列的判断，需要确保当前线程池可以创建新的线程之后，才能创建。
首先，当线程池的状态是 SHUTDOWN 或者 STOP 时，则不能创建新的线程。
另外，当线程工厂创建线程失败时，也不能创建新的线程。
还有就是当前工作线程的数量与核心线程数、最大线程数进行比较，如果前者大于后者的话，也不允许创建。
除此之外，会尝试通过 CAS 来自增工作线程的个数，如果自增成功了，则会创建新的工作线程，即 Worker 对象。
然后加锁进行二次验证是否能够创建工作线程，最后如果创建成功，则会启动该工作线程。

3、启动工作线程
当工作线程创建成功后，也就是 Worker 对象已经创建好了，这时就需要启动该工作线程，让线程开始干活了，Worker 对象中关联着一个 Thread，所以要启动工作线程的话，只要通过 worker.thread.start() 来启动该线程即可。
启动完了之后，就会执行 Worker 对象的 run 方法，因为 Worker 实现了 Runnable 接口，所以本质上 Worker 也是一个线程。
通过线程 start 开启之后就会调用到 Runnable 的 run 方法，在 worker 对象的 run 方法中，调用了 runWorker(this) 方法，也就是把当前对象传递给了 runWorker 方法，让他来执行。

4、获取任务并执行
在 runWorker 方法被调用之后，就是执行具体的任务了，首先需要拿到一个可以执行的任务，而 Worker 对象中默认绑定了一个任务，如果该任务不为空的话，那么就是直接执行。
执行完了之后，就会去阻塞队列中获取任务来执行，而获取任务的过程，需要考虑当前工作线程的个数。
如果工作线程数大于核心线程数，那么就需要通过 poll 来获取，因为这时需要对闲置的线程进行回收；
如果工作线程数小于等于核心线程数，那么就可以通过 take 来获取了，因此这时所有的线程都是核心线程，不需要进行回收，前提是没有设置 allowCoreThreadTimeOut。