并发编程系列---2、线程和线程池

线程池在并发编程中使用很普遍，而且线程池的原理很比较容易懂，但是这个不管是面试还是工作中都还是很重要的。下面我们主要来具体讲一下线程池、线程这些知识，汇总下，大家看这一篇文章我认为就够用了。里面有各种面试会问的，看懂了，线程池这块就拿捏的死死的了。

目录

一、多线程

二、线程池

2.1、线程池目的

2.2、线程池基本框架

2.3、线程池状态

2.4、线程池 excute 分析

2.5、自定义线程池

2.6、线程池核心线程数怎么设置

三、线程间通信方式

3.1、进程间通信方式

3.2、线程间通信方式

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一、多线程

多线程的原理简单描述如下：

相当于玩游戏机，只有一个游戏机（cpu），可是有很多人要玩，于是，start是排队！等CPU选中你就是轮到你，你就run（），当CPU的运行的时间片执行完，这个线程就继续排队，等待下一次的run（）。

调用start（）后，线程会被放到等待队列，等待CPU调度，并不一定要马上开始执行，只是将这个线程置于可运行状态。然后通过JVM，线程Thread会调用run（）方法，执行本线程的线程体。先调用start后调用run，这么麻烦，为了不直接调用run？就是为了实现多线程的优点，没这个start还不行。请耐心往下看具体原因。

JAVA多线程实现方式主要有以下三种： 

1、继承Thread类，重写run方法。用start方法启动线程

2、实现Runnable接口，实现run方法。用new Thread(Runnable target).start()方法来启动

3、使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程。

其中前两种方式线程执行完后都没有返回值，只有最后一种是带返回值的在异步中用的较多。其中最常用的也是前两种实现方式。

我们看下用start和run启动的区别，代码示例：

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runner1 runner1 = new Runner1();
        Runner2 runner2 = new Runner2();
        // Thread(Runnable target) 分配新的 Thread 对象。
        Thread thread1 = new Thread(runner1);
        Thread thread2 = new Thread(runner2);
        thread1.start(); //执行start，thread1与thread2交叉执行
        thread2.start();
        //thread1.run(); //执行run，thread1与thread2顺序执行
        //thread2.run();
    }
}

class Runner1 implements Runnable { // 实现了Runnable接口，jdk就知道这个类是一个线程
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("进入Runner1运行状态——————————" + i);
        }
    }
}

class Runner2 implements Runnable { // 实现了Runnable接口，jdk就知道这个类是一个线程
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("进入Runner2运行状态==========" + i);
        }
    }
}

 

大家运行下就会发现thread.run()是串行化的。这就是区别。

1.start（）方法来启动线程，真正实现了多线程运行。这时无需等待run方法体代码执行完毕，可以直接继续执行下面的代码；通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程， 这时此线程是处于就绪状态， 并没有运行。 然后通过此Thread类调用方法run()来完成其运行操作的， 这里方法run()称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容， Run方法运行结束， 此线程终止。然后CPU再调度其它线程。

（多线程同时运行）

2.run（）方法当作普通方法的方式调用。程序还是要顺序执行，要等待run方法体执行完毕后，才可继续执行下面的代码； 程序中只有主线程——这一个线程， 其程序执行路径还是只有一条， 这样就没有达到多线程的目的。

（相当于顺序运行）

多线程就是分时利用CPU，宏观上让所有线程一起执行 ，也叫并发。这下就知道为啥没有start不行了吧。

 

二、线程池

2.1、线程池目的

在并发编程中，多线程运行的时候如果我们使用Thread[] thread = new Thread[100] 这种方式来创建多线程，然后执行，不仅代码写的繁琐，而且线程之间的唤醒，阻塞，还得需要自己去用代码控制，很是麻烦。相较于这种new出来线程，使用线程池管理线程就有了很大的优势。

1）减少系统维护线程的开销；

2）解耦 ： 可以使运行和创建分开；

3）线程复用；

使用线程池主要目的就是能够线程复用，减少系统对线程创建，销毁，维护的开销。

线程池的基本框架是Excutor，使用ThreadPoolExcutor。

线程池的核心参数：

CorePoolSize  核心线程大小 与pool的生命周期相同

maximumPoolSize 最大线程数量

keepAliveTime 线程保持活动的时间，为了设定maximumPoolSize配置的线程的生命周期，一旦keepalivetime时间内没有任务就会销毁

TimeUnit : 时间单位

BlockingQueue ： 任务阻塞队列

DefaultHandler : 拒绝策略

 

2.2、线程池基本框架

1、先判断线程池中核心线程池（corePoolSize）所有的线程是否都在执行任务。如果不是，则新创建一个线程执行刚提交的任务，否则，核心线程池中所有的线程都在执行任务，则进入第2步；

2、判断当前阻塞队列是否已满，如果未满，则将提交的任务放置在阻塞队列中；否则，则进入第3步；

3、判断线程池中所有的线程(maximumPoolSize)是否都在执行任务，如果没有，则创建一个新的线程来执行任务，否则，则交给饱和策略进行处理

 

如下图所示：

 

2次询问线程池的时候，线程数的判断标准是不一样的，一个是核心线程数，一个是最大线程数。这点要注意下。

拒绝策略有四种我们附上源码：

• AbortPolicy （中止） 

• 

   

会抛出未检查的RejectedExecutionException，调用者可以捕获这个异常，然后根据需求编写自己的处理代码；在业务中可以去捕获这个异常，然后进行一些业务的处理，比如返回默认的接口返回数据。

• CallerRunsPolicy （调用者运行）

  

   

该策略既不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是当线程池中的所有线程都被占用后，并且工作队列被填满后，下一个任务会在调用execute时在主线程中执行，从而降低新任务的流量。由于执行任务需要一定的时间，因此主线程至少在一定的时间内不能提交任何任务，从而使得工作者线程有时间来处理正在执行的任务。

另一方面，在这期间，主线程不会调用accept，那么到达的请求将被保存在TCP层的队列中而不是在应用程序的队列中。如果持续过载，那么TCP层将最终发现他的请求队列被填满，因此同样会开始抛弃请求。

当服务器过载时，这种过载情况会逐渐向外蔓延开来——从线程池到工作队列到应用程序再到TCP层，最终到达客户端，导致服务器在高负载的情况下实现一种平缓的性能降低。

• DiscardOldestPolicy  （抛弃最旧） 

  

   

抛弃队列中最老的任务，然后重新提交最新的任务排到队尾。这个策略千万不要跟优先级队列配合使用。否则会把优先级最高的给扔了。

• DiscardPolicy （抛弃） 

  

   

如果线程池队列满了，会直接丢掉这个任务并且不会有任何异常。当提交的任务无法保存到队列中等待执行时，Discard策略会悄悄抛弃该任务。

• 自定义异常：

当然如果大家想统一处理异常，可以自定义一个异常处理类。然后继承RejectedExecutionHandler。统一处理异常。

 

 

2.3、线程池状态

了解的线程池里面的状态控制的参数 ctl。

线程池的ctl是一个原子的 AtomicInteger。

这个ctl包含两个参数 ：

• workerCount 激活的线程数
• runState 当前线程池的状态

private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

ctl是32位，它的低29位用于存放当前的线程数, workerCount的理论最大值就应该是29个1，理论上最大的线程数是 536870911;

CAPACITY的运算过程为1左移29位，也就是00000000 00000000 00000000 00000001 --> 001 0000 00000000 00000000 00000000，再减去1的话，就是 000 11111 11111111 11111111 11111111，前三位代表线程池运行状态runState

其中高三位的值和状态对应如下:

• 111: RUNNING （-1左移29，高位补1，所以高三位111，以下依次类推）

说明：运行状态，线程池创建后就处于Running

      切换：一进入就是运行状态

• 000: SHUTDOWN

说明：关闭，不接受新任务，但是已经队列中的任务需要处理完

切换：pool 执行 showdown的时候

• 001: STOP

说明：不接受新任务，也不执行队列中的任务

   切换：shutdownnow() 方法执行的时候

• 010: TIDYING
• 110: TERMINATED

五种状态转换一图搞定，都是心血总结啊。

 

ctl提供了相关api：都是位运算，

 // Packing and unpacking ctl
    // 获取线程池的状态
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    // 获取线程池的工作线程数
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    // 根据工作线程数和线程池状态获取 ctl
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

 

2.4、线程池 excute 分析

 

我们将源码贴在下面便于分析。看这段代码的时候，千万不要陷进去，因为特别绕。站在大体角度了解下就可以了。代码里面我加了注释

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    /*
     * Proceed in 3 steps:
     *
     * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
     * start a new thread with the given command as its first
     * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
     * workerCount, and so prevents false alarms that would add
     * threads when it shouldn't, by returning false.
     *
     * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
     * to double-check whether we should have added a thread
     * (because existing ones died since last checking) or that
     * the pool shut down since entry into this method. So we
     * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
     * stopped, or start a new thread if there are none.
     *
     * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
     * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
     * and so reject the task.
     */
     //获取线程池的状态码
    int c = ctl.get();
    //如果线程池的工作线程个数少于corePoolSize则创建新线程执行当前任务
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        //执行addWork，提交为核心线程,提交成功return。提交失败重新获取ctl
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    //如果线程个数大于corePoolSize则检查线程池状态是否是正在运行，且将新线程向阻塞队列提交。
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        //recheck 需要再次检查,主要目的是判断加入到阻塞队里中的线程是否可以被执行
        int recheck = ctl.get();
        //如果线程池状态不为running，将任务从阻塞队列里面移除，启用拒绝策略
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果线程池的工作线程为零，则调用addWoker提交任务    
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    //如果当前任务无法放进阻塞队列中，则创建新的线程来执行任务，如果创建失败则拒绝
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

execute方法执行逻辑有这样几种情况：

1. 如果当前运行的线程，少于corePoolSize，则创建一个新的线程来执行任务。
2. 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize，将任务加入 BlockingQueue。
3. 如果加入 BlockingQueue 成功，需要二次检查线程池的状态如果线程池没有处于 Running，则从 BlockingQueue 移除任务，启动拒绝策略。
4. 如果线程池处于 Running状态，则检查工作线程（worker）是否为0。如果为0，则创建新的线程来处理任务。如果启动线程数大于maximumPoolSize，任务将被拒绝策略拒绝。
5. 如果加入 BlockingQueue 。失败,则创建新的线程来处理任务。
6. 如果启动线程数大于maximumPoolSize，任务将被拒绝策略拒绝。

 

2.5、自定义线程池

 

* 1. SimpleAsyncTaskExecutor：不是真的线程池，这个类不重用线程，每次调用都会创建一个新的线程（默认）。

* 2. SyncTaskExecutor：这个类没有实现异步调用，只是一个同步操作。只适用于不需要多线程的地方

* 3. ConcurrentTaskExecutor：Executor的适配类，不推荐使用。如果ThreadPoolTaskExecutor不满足要求时，才用考虑使用这个类

* 4. SimpleThreadPoolTaskExecutor：是Quartz的SimpleThreadPool的类。线程池同时被quartz和非quartz使用，才需要使用此类

* 5. ThreadPoolTaskExecutor ：最常使用，推荐。 其实质是对java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor的包装

 

2.6、线程池核心线程数怎么设置

一般说来，大家认为线程池的大小经验值应该这样设置：（其中N为CPU的个数）

* 如果是CPU密集型应用，则线程池大小设置为N+1

* 如果是IO密集型应用，则线程池大小设置为2N+1

某些进程花费了绝大多数时间在计算上,而其他则在等待I/O上花费了大多是时间,前者称为计算密集型(CPU密集型),后者称为I/O密集型

如果一台服务器上只部署这一个应用并且只有这一个线程池，那么这种估算或许合理，具体还需自行测试验证。

但是，IO优化中，这样的估算公式可能更适合：

最佳线程数目 = （（线程等待时间+线程CPU时间）/线程CPU时间 ）* CPU数目

因为很显然，线程等待时间所占比例越高，需要越多线程。线程CPU时间所占比例越高，需要越少线程。

*下面举个例子： 比如平均每个线程CPU运行时间为0.5s，而线程等待时间（非CPU运行时间，比如IO）为1.5s，CPU核心数为8，那么根据上面这个公式估算得到：((0.5+1.5)/0.5)*8=32。这个公式进一步转化为： **最佳线程数目 = （线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1）* CPU数目

刚刚说到的线程池大小的经验值，其实是这种公式的一种估算值。

到这里，线程和线程池的主要内容就讲完了，应该大家没啥问题了。面试绝对面试官问不出什么新花样了。

三、线程间通信方式

下面在根据面试问题，给大家介绍下线程、进程间的通信方式。

3.1、进程间通信方式

管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

有名管道 (namedpipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

信号量(semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

消息队列( messagequeue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

信号 (sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

共享内存(shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

套接字(socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

 

3.2、线程间通信方式

锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁，比如volatle就是靠着cache line进行通信的

             互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。

            读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。

             条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变                               量始终与互斥锁一起使用。

信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量

信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理

线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。