线程创建、线程池创建相关理论知识整理 - 附部分线程池实例

线程基本知识

一个进程一般由三部分组成：程序段、数据段、进程控制块

• 其中进程控制块中包含了进程的一些基本信息：进程ID、名称、状态、进程优先级、程序起始地址、文件句柄、进程上下文、其他

一个标准的线程主要由三部分组成：线程描述信息、程序计数器、栈内存

• 其中程序描述信息中包含了线程的基本信息：线程ID、名称、状态、优先级、其他
• 程序计数器记录着下一条指令代码段内存地址

创建线程的方式

创建线程的几种方式：

• 继承Thread
• 实现Runnable接口
• 使用callbale和FutureTask
• 通过线程池创建

前三种方式的优缺点及注意事项

前两种的区别：前者是直接创建一个线程类；后者是创建的线程的target执行目标类，需要将其实例作为参数传入线程类的构造器，才能真正创建线程。
实现Runnable接口，不能直接访问Thread的实例方法，须通过Thread.currentThread()获取当前线程，然后才能访问当前线程。
共同之处：都有run方法，且都没有异步执行的结果返回，如果需要有异步执行结果返回，则可用第三种方式创建线程

实现Runnable的优点：

1. 可以避免由于Java单继承带来的局限性
2. 逻辑和数据更好分离，更适合同一个资源被多段业务逻辑并行处理的场景
   注：若存在多线程共享数据的情况，共享资源须使用原子类型如AtomicInteger或者进行线程同步控制

第三种创建方式：
calllable类似于Runnable，也是一个函数式接口，内部只有一个call() 方法，不同的是call方法有返回值；
callable与Thread的关联是通过RunnableFuture来桥接的，之前的Runnable可以作为Thread的target来执行，因为target是Runnable类型的；而callable与Runnable没有继承关系，所以不能作为target来执行，只能依赖于RunnableFuture；RunnableFuture继承了Runnable和Future，所以它可以当做target来执行。

Future接口的功能：

• 能够取消异步执行中的任务
• 判断异步任务是否执行完成
• 获取异步任务完成后的执行结果

注：在同步线程中获取异步线程的执行结果时，如果call执行完成返回结果，则同步线程直接获取返回的结果，如果call还未执行完成，即outcome为空时，同步线程会阻塞，知道异步线程执行返回结果后再继续执行。

线程部分方法记录说明

• join 线程合并
  在一个线程内部调用另一个线程，其有三个重载版本：
  1、当前线程变为TIMD_WAITING，直到被合并线程执行结束
  2、当前线程变为TIMD_WAITING直到被合并线程执行结束或被合并线程执行millis时间后开始继续执行（有一个参数）
  3、当前线程变为TIMD_WAITING直到被合并线程执行结束或被合并线程执行millis + nanos 时间后继续执行（有两个参数）
• yield 让步 当前线程让出CPU时间片，转入就绪状态
• wait 等待
  当前线程进入等待状态，唤醒方法 notify（） 、 notifyAll（）

线程池创建线程

先了解下JUC工具包：
JUC(java.util.concurrent)于JDK1.5开始加入，是用于完成高并发、处理多线程的一个工具包。其线程池的类与接口架构图如下：

• Executor 是Java异步目标任务的“执行者”接口，目标是执行任务，其提供了excute（）接口来执行已提交的Runnable执行目标实例。
• ExceutorService 继承与Executor，是Java异步目标任务的“执行者服务”接口，对外提供异步任务的接收服务，提供了“接收异步任务并转交给执行者”的方法，如submit系列方法、invoke系列方法等。
• AbstractExecutorService是一个抽象类，实现了ExecutorService，为其提供了默认实现。
• ThreadPoolExecutor 线程池实现类，继承于AbstractExecutorService，也是JUC线程池的核心实现类。
• ScheduledExecutorService 继承于ExecutorService，可以完成“延时”、“周期性”任务调度的线程池接口，功能于Timer、TimerTask类似。
• ScheduledThreadPoolExecutor 继承于ThreadPoolExecutor，提供了ScheduledExecutorService中关于“延时”、“周期性”任务调度的实现。
• Executors 是一个静态工厂类，通过静态工厂方法返回ExecutorService、ScheduledExecutorService等线程池实例对象，这些静态工厂方法可以理解为一些快速创建线程池的方法：
  1、newSingleThreadExecutor（）创建只有一个线程的线程池
  2、newFixedThreadPool (int n) 创建固定大小的线程池
  3、newCachedThreadPool（）创建一个不限制线程数量的线程池，任何提交的任务都将立即分配线程执行，空闲线程会得到及时回收
  4、newScheduledThreadPool（）创建一个可延时和定期执行任务的线程池
  代码示例：

//创建只有一个线程的线程池
public class singleThreadPoolTest {
    public static final int SLEEPTIME = 1000;

    public static class TargetTask implements Runnable {

        static AtomicInteger taskNo = new AtomicInteger(1);

        private String taskName;
        public TargetTask(){
            taskName = "task-" + taskNo.get();
            taskNo.incrementAndGet();
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("任务：" + taskName + "doing");
            try {
                Thread.sleep(SLEEPTIME);
                System.out.println("任务：" + taskName + "执行结束");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 5; i++){
            pool.execute(new TargetTask());
            pool.submit(new TargetTask());
        }
        //关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

如上四种通过Executors快捷创建线程池的方法可以快速创建线程池，但在生产场景中许多公司尤其大厂不允许使用快捷方式创建线程池，而是使用ThreadPoolExecutor构造器去创建线程池；其实Executors快捷创建线程池也是调用的ThreadPoolExecutor（定时任务调用的ScheduledThreadPoolExecutor）的构造方法完成的。
ThreadPoolExecutor构造方法有多个重载版本，其中比较重要的是：

public ThreadPoolExecutor(
		int corePoolSize,
		int maximumPoolSize,
		long keepAliveTime, TimeUnit unit,
		BlockingQueue<Runnable> workQueue,
		ThreadFactory threadFactory,
		RejectedExecutionHandler handler
	)

参数说明：
1、核心和最大线程数
corePoolSize是核心线程数，maximumPoolSize是最大线程数
在线程池接收到新任务时，如果当前工作线程数小于核心线程数时，即使有空闲线程也会创建新线程来处理新任务，直到线程数达到核心线程数。
在线程接收到新任务时，如果当前工作线程数大于核心线程数，但小于最大线程数，则仅当任务队列满时才会创建新线程执行新任务，
2、keepAliveTime、TimeUnit 用于控制空闲线程存活时长
3、BlockingQueue 阻塞队列，线程池工作线程已满时，新任务户被存放在阻塞队列中等待
4、ThreadFactory 新线程的产生方式
5、最后一个参数是拒绝策略
拒绝策略包括如下：
- AbortPolicy 使用此策略，若线程池队列已满，新任务就会被拒绝，并抛出异常RejectedException，是线程池的默认拒绝策略
- DiscardPolicy 若队列已满，新任务就会被丢弃掉，且不会抛出异常
- DiscardOldestPolicy 抛弃最老策略，若队列已满，新任务进来时会抛弃老任务
- CallerRunsPolicy 如果新任务进入队列失败，则提交任务的线程会自己去执行该任务，不会再有线程池去调度处理
- 也可自定义拒绝策略，实现RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution方法即可

Java阻塞队列 BlockingQueue
与普通队列相比的特点：
在阻塞队列为空时，会阻塞当前线程的元素获取操作，直到阻塞队列中有元素为止，当阻塞队列中有了元素后，线程自动被唤醒，不用用户代码实现。
其实现类有：

• ArrayBlockingQueue 是一个数组实现的有界阻塞队列，队列中的元素按FIFO排序，在创建是必须指定大小
• LinkedBlockingQueue 是一个基于链表实现的阻塞队列，按FIFO排序，可以指定容量，不指定则为无界
• PriorityBlockingQueue 是具有优先级的无界队列
• DelayQueue 是一个无界阻塞延迟队列，底层基于PriorityBlockingQueue实现，队列中每个元素都有过期时间，获取元素时，只有过期元素才会出队列，NewScheduledThreadPool使用此队列
• SynchronousQueue 同步队列，是一个不存储元素的阻塞队列，不会保留提交的任务，而是直接新建一个线程来执行任务，出一个进一个。

创建示例：

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                10,
                10000,
                10L,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(20),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
        );

创建完成后即可使用。
ThreadPoolExecutor 线程池调度器为每个任务执行前后都提供了钩子方法：
beforeExecute | afterExecute | terminated
默认不执行任何操作，需子类重写。

向线程池提交任务的两种方式及其区别：
execute、submit是向线程池提交任务的两种方式
区别是：
1、execute只能接收Runnable类型的参数，submit可以接收callable、Runnable两种类型的参数
2、submit提交任务后会有返回值，而execute没有（submit返回一个Future对象）

线程池的任务调度流程：

• 如果当前工作线程数量小于核心线程数量，执行器总是优先创建一个任务线程，而不是从空闲线程中获取线程去执行新任务
• 如果线程池中总的任务数大于核心线程池数量，新接收的线程会被阻塞到队列中，知道阻塞队列满了才会创建新线程去接收新任务

线程池的状态：

• RUNNING线程池创建后的初始状态
• SHUTDOWN不在接收新任务，但会将工作中的任务执行完成
• STOP不再接收新任务，会中断执行中的任务
• TIDYING所有任务都已终止或处理完成后将会调用terminated钩子方法
• TERMINATED执行完terminated钩子方法后的状态
  线程状态的转换：
  初始状态为RUNNING，调用shutdown方法转为SHUTDOWN,调用shutdownNow方法转为STOP，当线程全部终止完成后，由STOP转为TIDYING，执行钩子函数后转为TERMINATED。

关闭线程池：
shutdown、shutdownNow、awaitTermination
awaitTermination（long timeout, TimeUnit unit）指定超时时间去关闭线程池，如果返回false，则可调用shutdownNow去关闭线程池。
示例：

/**
     * 关闭线程池
     * 先使用shutdown, 停止接收新任务并尝试完成所有已存在任务.
     * 如果超时, 则调用shutdownNow, 取消在workQueue中Pending的任务,并中断所有阻塞函数.
     * 如果仍超時，則強制退出.
     * 另对在shutdown时线程本身被调用中断做了处理.
     */
public static void shutdownAndAwaitTermination(ExecutorService pool) {
        if (pool != null && !pool.isShutdown()) {
            pool.shutdown();
            try {
                if (!pool.awaitTermination(120, TimeUnit.SECONDS)) {
                    pool.shutdownNow();
                    if (!pool.awaitTermination(120, TimeUnit.SECONDS)) {
                        logger.info("Pool did not terminate");
                    }
                }
            }
            catch (InterruptedException ie) {
                pool.shutdownNow();
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }