深入浅出吃透多线程、线程池核心原理及代码详解

一、多线程详解

　　1、什么是线程

　　线程是一个操作系统概念。操作系统负责这个线程的创建、挂起、运行、阻塞和终结操作。而操作系统创建线程、切换线程状态、终结线程都要进行CPU调度——这是一个耗费时间和系统资源的事情。

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　　2、线程生命周期

　线程通常都有五种状态，创建、就绪、运行、阻塞和死亡：

• 创建状态。在生成线程对象，并没有调用该对象的start方法，这是线程处于创建状态。
• 就绪状态。当调用了线程对象的start方法之后，该线程就进入了就绪状态，但是此时线程调度程序还没有把该线程设置为当前线程，此时处于就绪状态。在线程运行之后，从等待或者睡眠中回来之后，也会处于就绪状态。
• 运行状态。线程调度程序将处于就绪状态的线程设置为当前线程，此时线程就进入了运行状态，开始运行run函数当中的代码。
• 阻塞状态。线程正在运行的时候，被暂停，通常是为了等待某个时间的发生(比如说某项资源就绪)之后再继续运行。sleep,suspend，wait等方法都可以导致线程阻塞。
• 死亡状态。如果一个线程的run方法执行结束或者调用stop方法后，该线程就会死亡。对于已经死亡的线程，无法再使用start方法令其进入就绪。　　　

　　可以用过jstack 或者idea debug快照显示状态，常见名词大致意思为：

• "Low Memory Detector"：负责对可使用内存进行检测，如果发现可用内存低，分配新的内存空间。
• "CompilerThread0"：用来调用JITing，实时编译装卸class。
• "Signal Dispatcher"：负责分发内部事件。
• "Finalizer"：负责调用Finalizer方法。
• "Reference Handler"：负责处理引用。
• "main"：是主线程。
• "VM Thread"， "VM Periodic Task Thread"：从名字上看是虚机内部线程。

　　3、线程状态描述

• NEW：状态是指线程刚创建, 尚未启动。
• RUNNABLE：状态是线程正在正常运行中, 当然可能会有某种耗时计算/IO等待的操作/CPU时间片切换等, 这个状态下发生的等待一般是其他系统资源, 而不是锁, Sleep等
• BLOCKED：这个状态下, 是在多个线程有同步操作的场景, 比如正在等待另一个线程的synchronized 块的执行释放, 或者可重入的 synchronized块里别人调用wait() 方法, 也就是这里是线程在等待进入临界区
• WAITING：这个状态下是指线程拥有了某个锁之后, 调用了他的wait方法, 等待其他线程/锁拥有者调用 notify / notifyAll 一般该线程可以继续下一步操作
• TIMED_WAITING： 这个状态就是有限的(时间限制)的WAITING, 一般出现在调用wait(long), join(long)等情况下, 另外一个线程sleep后, 也会进入TIMED_WAITING状态
• TERMINATED：这个状态下表示 该线程的run方法已经执行完毕了, 基本上就等于死亡了(当时如果线程被持久持有, 可能不会被回收)

　　要区分 BLOCKED 和 WATING 的区别, 一个是在临界点外面等待进入, 一个是在理解点里面wait等待别人notify, 线程调用了join方法 join了另外的线程的时候, 也会进入WAITING状态, 等待被他join的线程执行结束。核心区别就是BLOCKED没拿到锁，WAITING拿到了锁。

　　4、线程优先级Priority

　　线程的优先级是将该线程的重要性传给了调度器、cpu处理线程顺序有一定的不确定，但是调度器会倾向于优先权高的先执行。

　　5、线程实现方式

　　线程有三种实现方式：Thread、Runnable、Callable。

　　Thread实现方式代码如下：

public class Thread01 extends Thread {

   @Override
   public void run() {
      System.out.println("Thread 方式创建线程");
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      new Thread01().start();//多线程
   }
}

　　Runnable实现方式：

public class Runnable01 implements  Runnable {
   @Override
   public void run() {
      System.out.println("Runnable方式创建线程");
   }

   public static void main(String[] args) {
      new Thread(new Runnable01()).start();
   }
}

　　Callable实现方式：

public class Callable01 implements Callable {
   @Override
   public String call() throws Exception {
      System.out.println("Callable方式创建线程");
      return "Callable";
   }

   public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
      FutureTask task=new FutureTask(new Callable01());//有参 赋值 成员属性
      new Thread(task).start();
      System.out.println( task.get());;
   }
}

　　6、Thread和Runnable的联系与区别

• Runnable的实现方式是实现其接口即可。
• Thread的实现方式是继承其类。
• Runnable接口支持多继承，但基本上用不到。
• Thread实现了Runnable接口并进行了扩展，而Thread和Runnable的实质是实现的关系，不是同类东西，所以Runnable或Thread本身没有可比性。public class Thread implements Runnable { // 省略 @Override public void run() { if (target != null) { target.run(); } } // 省略 }

　　综上所述：Thread和Runnable的实质是继承关系，没有可比性。无论使用Runnable还是Thread，都会new Thread，然后执行run方法。用法上，如果有复杂的线程操作需求，那就选择继承Thread，如果只是简单的执行一个任务，那就实现runnable。

　　7、Callable原理是什么

　　Callable 1.5引入，具有返回值，并且支持泛型：

public interface Callable {
    V call() throws Exception;
}

　　返回加入泛型既可以返回Object，也可以让调用限定类型，更灵活。Callble相关源码如下：

public interface Future {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

public interface RunnableFuture extends Runnable, Future {
    void run();
}

public class FutureTask implements RunnableFuture {

private Callable callable;
    public void run() {
        if (state != NEW ||
            !RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }
}

　　我们在使用以下代码构建task时，实际上在FutureTask类的构造方法就给自己的属性callable进行了赋值。

FutureTask task=new FutureTask(new Callable01());

　　而可以看到FutureTask实际上也是一个Runnable的具体实现，因此可以使用以下方法进行task执行(和Runnable的使用方式一致)：

new Thread(task).start();

　　调用start方法，实际上就是调用Runnable的run方法，因此调用了FutureTask的run方法，然后这个新起的线程采用方法调用方式调用了具体Callable实现类的call方法，并将返回值进行set，因此我们可以通过task.get()方法获取执行结果。

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　　8、和使用线程池有什么不一样

　　看以下代码：

public class ThreadPkTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Long start= System.currentTimeMillis();
        final List l=new ArrayList();
        final Random random=new Random();
        for(int i=0;i<10000;i++){
            Thread thread=new Thread(){
                public void run(){
                    l.add(random.nextInt());
                }
            };
            thread.start();
            thread.join();
        }
        System.out.println("直接创建线程执行时间:"+(System.currentTimeMillis()-start));
        System.out.println("size:"+l.size());

        start= System.currentTimeMillis();
        final List list=new ArrayList();
        ExecutorService executorService= Executors.newSingleThreadExecutor();for(int i=0;i<10000;i++){
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    list.add(random.nextInt());
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
        System.out.println("线程池执行时间:"+(System.currentTimeMillis()-start));
        System.out.println("size:"+list.size());
        
    }
}

　　执行结果如下：

直接创建线程执行时间:1601
size:10000
线程池执行时间:33
size:10000

　　由此可以对比线程池效率要高出很多，是什么原因呢？大致有这么几点：

• 避免线程的创建和销毁带来的性能开销；
• 避免大量的线程因为互相抢占系统资源导致的阻塞现象；
• 能够对线程进行简单的管理并提供定时执行、间隔执行等功能(和性能无关)。

　　那我们接下来就核心进行线程池的研究。

二、线程池代码详解

　　1、线程池使用示例

　　首先我们来看下如何使用线程池，线程持有submit以及execute两种写法，代码如下：

public class ThreadPool01 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.submit(()->   System.out.println("Submit方式执行optimized"));
        executorService.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                System.out.println("Submit方式执行");
            }
        });
        executorService.execute(()-> System.out.println("Execute方式执行optimized"));
        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                System.out.println("Execute方式执行");
            }
        });
        executorService.shutdown();
    }
}

　　2、线程池类、接口

　　然后我们来看看线程池有哪些类与接口，核心如图所示：

 　　如图所示，有这么一些重要的接口与类，如下表所示：

　　3、线程池执行流程

　　3.1、初始化ThreadPoolExecutor

　　不管我们是通过Executors工具类快速初始化线程池，还是手动配置线程池参数，我们第一步都是初始化线程池：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();　　　　//快速构建
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5,　　　　　　　　　　　　　　//手动构建
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new SynchronousQueue(),
                Executors.defaultThreadFactory())

　　参数详情如下：

public ThreadPoolExecutor(
        int corePoolSize,  　　//核心线程数大小 - 10
        int maximumPoolSize, 　　//最大线程数 - 100
        long keepAliveTime, 　　//非核心线程存活时间
        TimeUnit unit, 　　//时间单位
        BlockingQueue workQueue, 　　//存放任务的阻塞队列
        ThreadFactory threadFactory, 　　//创建线程的工厂
       RejectedExecutionHandler handler  　　//拒绝策略
)

　　3.2、调用execute、submit执行

　　我们知道有两种方式，分别是submit和execute，但是底层核心都是调用execute，无非是submit有返回，execute无返回。代码如下：

    public  Future submit(Runnable task, T result) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

　　但是其实execute和submit还有点不同，就是task类型不一样，submit类型是FutureTask，而execute的task类型是线程池运行的run方法所属类的类型。

　　3.3、核心、非核心线程协作原理

　　如execute方法中的代码所示：

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

　　如上四处代码，如下图所示四种不同规则所示：

 　　所以当一个任务通过execute(Runnable)方法添加到线程池时：

• 如果此时线程池中的数量小于corePoolSize，创建新的核心线程来处理被添加的任务。
• 如果此时线程池中的数量等于 corePoolSize，则新任务被添加到workQueue队列中，直到workQueue队列满，但不超过maximumPoolSize。
• 如果此时线程池中的数量大于corePoolSize，缓冲队列workQueue满，并且线程池中的数量小于maximumPoolSize，建新的非核心线程来处理被添加的任务。
• 如果此时线程池中的数量大于corePoolSize，缓冲队列workQueue满，并且线程池中的数量等于maximumPoolSize，那么通过 handler所指定的策略来处理此任务。 

　　综上所述：处理任务的优先级为：核心线程corePoolSize、任务队列workQueue、最大线程maximumPoolSize，如果三者都满了，使用handler处理被拒绝的任务。

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　　3.4、创建Worker对象addWorker

　　Worker是一个实现了Runnable接口的类，Worker的执行最终会调用我们提交的任务中的run()方法。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {}

　　创建Worker对象代码如下：

    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (int c = ctl.get();;) {
            // Check if queue empty only if necessary.
            if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
                && (runStateAtLeast(c, STOP)
                    || firstTask != null
                    || workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                if (workerCountOf(c)
                    >= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN))
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int c = ctl.get();

                    if (isRunning(c) ||
                        (runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();　　　　　　　　//此处会调用Worker这个Thread包装类的start方法，start方法会调用run方法，run方法会调用runWorker方法。
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

　　3.5、启动worker对象

　　启动worker对象如下代码所示：

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    try {
                        task.run();
                        afterExecute(task, null);
                    } catch (Throwable ex) {
                        afterExecute(task, ex);
                        throw ex;
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

　　Worker启动后，会执行我们提交的任务的run()方法，执行完成后会调用finally中的 processWorkerExit 方法。

　　3.6、循环调用Worker

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }

        tryTerminate();

        int c = ctl.get();
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {
            if (!completedAbruptly) {
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                if (workerCountOf(c) >= min)
                    return; // replacement not needed
            }
            addWorker(null, false);
        }
    }

　　由此可知，调用循环进入到了3.4。

　　4、什么是Worker

• Worker是ThreadPoolExecutor类的一个内部类，这里Worker就是thread和task的一个包装类，它的职能就是控制中断和任务的运行。
• Worker是一个集成了AQS，实现了Runnable方法的内部类。Worker创建好后，通过new好的线程来运行任务。Worker本身不运行run，而是里面thread通过start运行这个方法。
• 核心Worker通过while不断从队列中取出任务(addWorker入参为null时从队列取，否则就说明是新添加到队列要执行的任务)，任务队列为空线程就阻塞；非核心Worker也是通过while不断取任务，只是有个取任务时keepAliveTime的超时时间，在时间之内取不到的任务的话线程就跳出循环，自动销毁了。

　　5、拒绝策略

　　有四种拒绝策略，分别如下：

• AbortPolicy (默认)：当任务添加到线程池中被拒绝时，它将抛出 RejectedExecutionException 异常。
• CallerRunsPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，会在线程池当前正在运行的Thread线程池中处理被拒绝的任务。
• DiscardOldestPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池会放弃等待队列中最旧的未处理任务，然后将被拒绝的任务添加到等待队列中
• DiscardPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池将丢弃被拒绝的任务。

　　6、Java中提供的几种快捷线程池

• newFixedThreadPool；通过创建一个corePoolSize和maximumPoolSize相同的线程池。使用LinkedBlockingQuene作为阻塞队列，不过当线程池没有可执行任务时，也不会释放线程。
• newCachedThreadPool：初始化一个可以缓存线程的线程池，默认缓存60s，线程池的线程数可达到Integer.MAX_VALUE，即2147483647，内部使用SynchronousQueue作为阻塞队列；和newFixedThreadPool创建的线程池不同，newCachedThreadPool在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime，会自动释放线程资源，当提交新任务时，如果没有空闲线程，则创建新线程执行任务，会导致一定的系统开销；
• newSingleThreadExecutor；初始化的线程池中只有一个线程，如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行，内部使用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列。
• newScheduledThreadPool；初始化的线程池可以在指定的时间内周期性的执行所提交的任务，在实际的业务场景中可以使用该线程池定期的同步数据。除了newScheduledThreadPool的内部实现特殊一点之外，其它几个线程池都是基于ThreadPoolExecutor类实现的。

　　7、newScheduledThreadPool

　　newScheduledThreadPool是一个可以在指定的时间内周期性执行所提交的任务，有以下两种模式：

scheduleWithFixedDelay：上一个任务执行完的时间后固定时间，与任务执行时间有关
scheduleAtFixedRate：固定速率，与任务执行所需时间无关 

　　其核心代码差别为：

public ScheduledFuture scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                              long initialDelay,
                                              long period,
                                              TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (period <= 0L)
        throw new IllegalArgumentException();
    ScheduledFutureTask sft =
        new ScheduledFutureTask(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      unit.toNanos(period),
                                      sequencer.getAndIncrement());
    RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    delayedExecute(t);
    return t;
}

public ScheduledFuture scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                 long initialDelay,
                                                 long delay,
                                                 TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (delay <= 0L)
        throw new IllegalArgumentException();
    ScheduledFutureTask sft =
        new ScheduledFutureTask(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      -unit.toNanos(delay),
                                      sequencer.getAndIncrement());
    RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    delayedExecute(t);
    return t;
}

　　两者区别就是都会执行这段核心代码：

private void setNextRunTime() {
    long p = period;
    if (p > 0)
        time += p;
    else
        time = triggerTime(-p);
}