多线程基础
基础概念
- 进程（process）：进程是计算机中的一个任务，比如打开浏览器、IntelliJ IDEA。
- 线程（thread）：进程内部有多个子任务，叫线程。比如IDEA在敲代码的同时还能自动保存、自动导包，都是子线程做的。
进程和线程的关系就是一个进程包含一个或多个线程。
线程是操作系统调度的最小任务单位。线程自己不能决定什么时候执行，由操作系统决定什么时候调度。因此多线程编程中，代码的先后顺序不代表代码的执行顺序。
多线程有什么好处？
- 提高应用程序的性能。异步编程让程序更快的响应。
- 提高CPU利用率。一个线程阻塞，另一个线程继续执行，充分利用CPU。
同时多线程也会带来安全问题，比如多个线程读写一个共享变量，会出现数据不一致的问题。
什么时候考虑用多线程？
- 高并发。系统在同一时间要处理多个任务时，需要用多线程。
- 很耗时的操作。如文件读写，异步执行不让进程阻塞。
- 不影响方法主流程逻辑，但又影响接口性能的操作，如数据同步，使用异步方式能提高接口性能。
创建线程的方式
多线程的创建方法基本有四种：
- 继承Thread类
- 实现Runnalble接口
- 实现Callable接口
- 线程池
1.继承Thread类
public class ThreadTest extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("新线程开始...");
}
public static void main(String[] args) {
ThreadTest t = new ThreadTest();
t.start();
System.out.println("main线程结束...");
}
}
main线程结束
新线程开始
启动一个新线程总是调用它的start()方法，而不是run()方法；ThreadTest子线程启动后，它跟main就开始同时运行了，谁先执行谁后执行由操作系统调度。所以多线程代码的执行顺序跟代码顺序无关。
2.实现Runnable接口
实现Runnable接口，重写run()方法，作为构造器参数传给Thread，调用start()方法启动线程。
public class Test {
public static void main(String[] args) {
RunnableThread r = new RunnableThread();
new Thread(r).start();
new Thread(r).start();
}
}
class RunnableThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("新线程开始...");
}
}
一般推荐使用实现Runnable的方式来创建新线程，它的优点有：
- Java中只有单继承，接口则可以多实现。如果一个类已经有父类，它就不能再继承Thread类了，继承了Thread类就不能再继承其他类，有局限性。实现Runnable接口则没有局限性。
- 实现Runnable接口的类具有共享数据的特性，它可以同时作为多个线程的执行单位（target），此时多个线程操作的是同一个对象的run方法，这个对象所有变量在这几个线程间是共享的。而继承Thread的方式做不到，比如A extends Thread，每次启动线程都是new A().start()，每次的A对象都不同。
3. 实现Callable接口
Callable区别于Runnable接口的点在于，Callable的方法有返回值，还能抛出异常。
public interface Callable
V call() throws Exception;
}
Callable的用法：
- 配合FutureTask一起使用，FutureTask是RunnableFuture接口的典型实现，RunnableFuture接口从名字来看，它同时具有Runnable和Future接口的的能力。FutureTask提供2个构造器，同时支持Callable方式和Runnable方式的任务。FutureTask可作为任务传给Thread的构造器。
- 使用线程池时，调用ExecutorService#submit方法，返回一个Future对象。
- Future对象的get()方法能返回异步执行的结果。调用get()方法时，如果异步任务已经完成，就直接返回结果。如果异步任务还没完成，那么get()方法会阻塞，一直等待任务完成才返回结果，这一点也是FutureTask的缺点。
Callable和FutureTask一起使用的例子：
public class CallableTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建Callable接口实现类的对象
CallableThread sumThread = new CallableThread();
// 创建FutureTask对象
FutureTask
// 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
new Thread(futureTask).start();
try {
// 获取Callable中call方法的返回值
Integer sum = futureTask.get();
System.out.println("总和为" + sum);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("main线程结束");
}
}
class CallableThread implements Callable
@Override
public Integer call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
sum += i;
}
Thread.sleep(2000); // 等待2s验证futureTask.get()是否等待
return sum;
}
}
总和为5050
main线程结束
在JDK源码中可看到get()方法执行时，会判断线程状态如果是未完成，会进入一个无限循环，直到任务完成才返回执行结果。
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING) // 如果未完成，则等待完成
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
// ...
for (; ; ) { // 无线循环，直到任务完成
// ...
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
// ...
}
}
Future和FutureTask
使用Callable接口前，需要了解Future和FutureTask。
在Java并发编程中，Future接口代表着异步计算结果。它定义的方法有：
- get()：获取结果，任务未完成前会一直等待，直到完成；
- get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；添加超时时间可以让调用线程及时释放，不会死等；
- cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；mayInterruptIfRunning的作用是，当任务在执行中被取消，如果mayInterruptIfRunning == true就中断任务，否则不中断，任务可继续执行。
- isCancelled()：任务在执行完成前被取消，返回true，否则返回false；
- isDone()：判断任务是否已完成。任务完成包括：正常完成、抛出异常而完成、任务被取消。
FutureTask作为Future的实现类，也有局限性。比如get()方法会阻塞调用线程；不能将多个异步计算结果合并到一起等等，针对这些局限，Java8提供了CompletableFuture。
4.线程池
下面我将围绕这几个问题，来讨论一下线程池。
- 线程池是什么？
- 为什么使用线程池，或者说使用线程池的好处是什么？
- 线程池怎么使用？
- 线程池的原理是什么，它怎么做到重复利用线程的？
线程池是什么
线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想的管理线程的工具，它内部维护了多个线程，目的是能重复利用线程，控制并发量，降低线程创建及销毁的资源消耗，提升程序稳定性。
线程池的好处
- 降低资源消耗：重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
- 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
- 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。
线程池解决的核心问题就是资源管理问题，在并发场景下，系统不能够确定在任意时刻，有多少任务需要执行，有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题：
- 频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能非常巨大。
- 对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
- 系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。
线程池这种基于池化思想的技术就是为了解决这类问题。
线程池实际使用
线程池的的核心实现类是ThreadPoolExecutor，调用execute或者submit方法即可开启一个子任务。
public class ThreadPoolTest {
private static ThreadPoolExecutor poolExecutor =
new ThreadPoolExecutor(1, 1, 5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1));
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Runnable runnableTask = () -> System.out.println("runnable task end");
poolExecutor.execute(runnableTask);
Callable
Future
System.out.println(future.get());
}
}
ThreadPoolExecutor的核心构造器有7个参数，我们来分析一下每个参数的含义：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
// 省略...
}
- corePoolSize：线程池的核心线程数。线程池中的线程数小于corePoolSize时，直接创建新的线程来执行任务。
- workQueue：阻塞队列。当线程池中的线程数超过corePoolSize，新任务会被放到队列中，等待执行。
- maximumPoolSize：线程池的最大线程数量。
- keepAliveTime：非核心线程空闲时的存活时间。非核心线程即workQueue满了之后，再提交任务时创建的线程。非核心线程如果空闲了，超过keepAliveTime后会被回收。
- unit：keepAliveTime的时间单位。
- threadFactory：创建线程的工厂。默认的线程工厂会把提交的任务包装成一个新的任务。
- handler：拒绝策略。当线程池的workQueue已满且线程数达到最大线程数时，新提交的任务执行对应的拒绝策略。
JDK也提供了一个快速创建线程池的工具类Executors，它提供了多种创建线程池的方法，但通常不建议使用Executors来创建线程池，因为它提供的很多工具方法，要么使用的阻塞队列没有设置边界，要么是没有设置最大线程的上限。任务一多容易发生OOM。实际开发应该根据业务自定义线程池。
线程池的原理
execute
线程池的核心运行机制在于execute方法，所有的任务调度都是通过execute方法完成的。
public void execute(Runnable command) {
// ...
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // (1)
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // (2)
int recheck = ctl.get();
// 重新检查状态，如果是非运行状态，接着执行队列删除操作，然后执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果是因为remove(command)删除队列元素失败，再判断池中线程数量
// 如果池中线程数为0则新增一个任务为null的非核心线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false)) // (3)
reject(command);
}
透过execute方法的3个if判断，可以把它的逻辑梳理为3个部分：
- 第一个if：如果线程数量小于核心线程数，则创建一个线程来执行新提交的任务。
- 第二个if：如果线程数量大于等于核心线程数，则将任务添加到该阻塞队列中。
- else if：线程池状态不对，或者添加到队列失败即队列满了，则创建一个非核心线程执行新提交的任务。如果非核心线程创建失败就执行拒绝策略。
addWorker
execute中的核心逻辑要看addWoker方法，它承担了核心线程和非核心线程的创建。addWorker方法前半部分代码用一个双重for循环确保线程池状态正确，后半部分的逻辑是创建一个线程对象Worker，开启新线程执行任务的过程。
Worker是对提交进来的线程的封装，创建的worker会被添加到一个HashSet，线程池中的线程都维护在这个名为workers的HashSet中并被线程池所管理。
前面说到，Worker本身也是一个线程对象，它实现了Runnable接口，在addWorker中会启动一个新的任务，所以我们要看它的run方法，而run方法的核心逻辑是runWorker方法。
final void runWorker(Worker w) {
// ...
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// ...
try {
try {
task.run(); // 执行普通的run方法
} finally {
task = null; // task置空
}
}
}
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 回收空闲线程
}
}
可以看到runWorker方法中有一个while循环，循环执行task的run方法，这里的task就是提交到线程池的任务，它对当成了普通的对象，执行完task.run()，最后会把task设置为null。
再看循环的条件，已知task是有可能为空的，所以我们再看看(task = getTask()) != null这个条件，如果getTask() == null则跳出循环执行processWorkerExit方法，processWorkerExit方法的作用是回收空闲线程。
getTask
很多答案都在getTask()方法中。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (; ; ) { // (1)
// 校验线程池状态的代码，先省略...
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // (2)
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 线程数减1
return null; // 这里时中断外层while循环的时机
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take(); // (3)
if (r != null)
return r; // 取到值了就在外层的while循环中执行任务
timedOut = true; // 否则就标记为获取队列任务超时
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
结合(1)、（3）这两个地方可以看出，getTask()方法是一个无限循环，不断从阻塞队列中取任务，取到了任务就返回，到外层runWorker方法中，执行这个任务的run方法，即线程池通过启动一个Worker子线程来执行提交进来的任务，并且一个Worker线程会执行多个任务！
我们再看看getTask()何时返回null，因为返回null才可以看下一步的processWorkerExit方法。
getTask()返回null主要看timed && timedOut这个条件。变量值timed为true的条件是：允许核心线程超时或者线程数大于核心线程数。timedOut变量为true的条件是从workQueue为空了，取不到任务了，但是这个前提是timed == true，执行workQueue.poll的时候，因为workQueue.poll方法获取任务最多等待keepAliveTime的时间，超过这个时间获取不到就返回null，而workQueue.take()方法获取不到任务会一直等待！
因此，在核心线程不会超时的情况下，如果池中的线程数小于核心线程数，这个getTask()会一直循环下去，这就是在这种情况下线程池不会自动关闭的原因！反之，在核心线程不会超时的情况下，如果池中的线程数超过核心线程数，才会对多余的线程回收。如果allowCoreThreadTimeOut == true，即核心线程也能超时，当阻塞队列为空，所有Worker线程都会被回收。
ThreadPoolExecutor的注释说，当池中没有剩余线程，线程池会自动关闭。
A pool that is no longer referenced in a program AND has no remaining threads will be shutdown automatically
但我也没找到证据，没看到哪里显式调用shutdown()，但确实会自动关闭。
processWorkerExit
getTask()获取不到任务后，会执行processWorkerExit方法回收线程。在这里，Worker线程集合随机删除一个线程对象，然后再随机中断一个workers中的线程。可见线程销毁线程的方式时删除线程引用，让JVM自动回收。
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
// ...
try {
workers.remove(w);
}
// 调用interrupt()方法中断线程，一次中断一个
tryTerminate();
// ...
}
原理总结
最后我们回到最初的问题，线程池的原理是什么，线程池怎么做到重复利用线程的？
线程池通过维护一组叫Worker的线程对象来处理任务。在线程数不超过核心线程数的情况下，一个任务对应一个Worker线程，超过核心线程数，新的任务会提交到阻塞队列。一个Worker线程在启动后，除了执行第一次任务之外，还会不断向阻塞队列中消费任务。如果队列里没任务了，Worker线程会一直轮询，不会退出；只有在池中线程数超过核心线程数时才退出轮询，然后回收多余的空闲线程。即一个Worker线程会处理多个任务，且Worker线程受线程池管理，不会随意回收。
拒绝策略
拒绝策略的目的是保护线程池，避免无节制新增任务。JDK使用RejectedExecutionHandler接口代表拒绝策略，并提供了4个实现类。线程池的默认拒绝策略是AbortPolicy，丢弃任务并抛出异常。实际开发中用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略。
线程的状态
- New：新创建的线程，尚未执行；
- Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
- Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
- Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
- Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
- Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。
当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。
线程终止的原因有：
- 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
- 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
- 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（过时方法，不推荐使用）。
Thread类的常用方法
- start()：启动当前线程
- currentThread()：返回当前代码执行的线程
- yield()： 释放当前CPU的执行权
- join()：join()方法可以让其他线程等待，直到自己执行完了，其他线程才继续执行。
- setDaemon(boolean on)：设置守护线程，也叫后台线程。JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。
- interrupt()：中断线程。
- sleep(long millis)：让线程睡眠指定的毫秒数，在指定时间内，线程是阻塞状态
- isAlive()：判断当前线程是否存活。
public class ThreadJoinTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
System.out.println("hello");
});
System.out.println("start");
t.start();
t.join();
System.out.println("end");
}
}
start
hello
end
volatile
线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。
为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型（JMM）。
类变量、实例变量是共享变量，方法局部变量是私有变量。共享变量的值保存在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，私有变量就保存在工作内存。
在Java虚拟机中，共享变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！
这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true，在JVM把修改后的a回写到主内存之前，其他线程读取到的a的值仍然是true，这就造成了多线程之间共享的变量不一致。
因此，volatile关键字的目的是告诉虚拟机：
- 每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
- 每次修改变量后，立刻回写到主内存。
volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。
但是volatile不能保证原子性，原子性问题需要根据实际情况做同步处理。
线程同步
什么叫线程同步？对于多线程的程序来说，同步指的是在一定的时间内只允许某一个线程访问某个资源。
在Java中，最常见的方法是用synchronized关键字实现同步效果。
synchronized
synchronized可以修饰实例方法、静态方法、代码块。
synchronized的底层是使用操作系统的互斥锁（mutex lock）实现的，它的特点是保证内存可见性、操作原子性。
- 内存可见性：可见性的原理还要回到Java内存模型（上面JMM的那张图）。 synchronized上锁时，会清空工作内存中变量的值，去主内存中获取该变量的值；解锁时，会把工作内存中变量的值同步回主内存中。
- 操作原子性：持有同一个锁的两个同步块只能串行地执行。
使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是，它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外，加锁和解锁需要消耗一定的时间，所以，synchronized会降低程序的执行效率。
不需要synchronized的操作
JVM规范定义了几种原子操作：
- 基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = 1；
- 引用类型赋值，例如：List list = anotherList。
long和double是64位（8字节）数据，在32位和64位操作系统上是不一样的。JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作，不过在x64平台的JVM是把long和double的赋值作为原子操作实现的。