多线程系列

Java多线程学习(一)Java多线程入门

Java多线程学习(二)synchronized关键字(1)

注意:可重入锁的概念

另外要注意:synchronized取得的锁都是对象锁,而不是把一段代码或方法当做锁。 如果多个线程访问的是同一个对象,哪个线程先执行带synchronized关键字的方法,则哪个线程就持有该方法,那么其他线程只能呈等待状态。如果多个线程访问的是多个对象则不一定,因为多个对象会产生多个锁。

Java多线程学习(二)synchronized关键字(2)

思维导图

注意:

  • 其他线程执行对象中synchronized同步方法(上一节我们介绍过,需要回顾的可以看上一节的文章)和synchronized(this)代码块时呈现同步效果;
  • 如果两个线程使用了同一个“对象监视器”(synchronized(object)),运行结果同步,否则不同步.

synchronized关键字加到static静态方法synchronized(class)代码块上都是是给Class类上锁,而synchronized关键字加到非static静态方法上是给对象上锁。

数据类型String的常量池属性:在Jvm中具有String常量池缓存的功能

Java多线程学习(三)volatile关键字

volatile关键字 注意:

synchronized关键字volatile关键字比较

Java多线程学习(四)等待/通知(wait/notify)机制

本节思维导图

Java多线程学习(五)线程间通信知识点补充

本节思维导图 注意: ThreadLocal类主要解决的就是让每个线程绑定自己的值,可以将ThreadLocal类形象的比喻成存放数据的盒子,盒子中可以存储每个线程的私有数据。

Java多线程学习(六)Lock锁的使用

本节思维导图

Java多线程学习(七)并发编程中一些问题

思维导图

Java多线程学习(八)线程池与Executor 框架

本节思维导图

Java多线程学习(八)线程池与Executor 框架

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本节思维导图:

 

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一 使用线程池的好处

线程池提供了一种限制和管理资源(包括执行一个任务)。 每个线程池还维护一些基本统计信息,例如已完成任务的数量。
这里借用《Java并发编程的艺术》提到的来说一下使用线程池的好处:

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 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。线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一的分配,调优和监控。

##二 Executor 框架

2.1 简介

Executor 框架是Java5之后引进的,在Java 5之后,通过 Executor 来启动线程比使用 Thread 的 start 方法更好,除了更易管理,效率更好(用线程池实现,节约开销)外,还有关键的一点:有助于避免 this 逃逸问题。

补充:this逃逸是指在构造函数返回之前其他线程就持有该对象的引用. 调用尚未构造完全的对象的方法可能引发令人疑惑的错误。

2.2 Executor 框架结构(主要由三大部分组成)

1 任务。

执行任务需要实现的Runnable接口或Callable接口。
Runnable接口或Callable接口实现类都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

两者的区别:

Runnable接口不会返回结果但是Callable接口可以返回结果。后面介绍Executors类的一些方法的时候会介绍到两者的相互转换。

2 任务的执行

如下图所示,包括任务执行机制的核心接口Executor ,以及继承自Executor 接口的ExecutorService接口。ScheduledThreadPoolExecutor和ThreadPoolExecutor这两个关键类实现了ExecutorService接口。

注意: 通过查看ScheduledThreadPoolExecutor源代码我们发现ScheduledThreadPoolExecutor实际上是继承了ThreadPoolExecutor并实现了ScheduledExecutorService ,而ScheduledExecutorService又实现了ExecutorService,正如我们下面给出的类关系图显示的一样。

ThreadPoolExecutor类描述:

//AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService

ScheduledThreadPoolExecutor类描述:

//ScheduledExecutorService实现了ExecutorService接口
public class ScheduledThreadPoolExecutor
        extends ThreadPoolExecutor
        implements ScheduledExecutorService 

任务的执行相关接口

3 异步计算的结果

Future接口以及Future接口的实现类FutureTask类。
当我们把Runnable接口或Callable接口的实现类提交(调用submit方法)给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor时,会返回一个FutureTask对象。

我们以AbstractExecutorService接口中的一个submit方法为例子来看看源代码:

    public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

上面方法调用的newTaskFor方法返回了一个FutureTask对象。

    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask<T>(runnable, value);
    }

2.3 Executor 框架的使用示意图

Executor 框架的使用示意图

  1. 主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。
    备注: 工具类Executors可以实现Runnable对象和Callable对象之间的相互转换。(Executors.callable(Runnable task)或Executors.callable(Runnable task,Object resule))。

  2. 然后可以把创建完成的Runnable对象直接交给ExecutorService执行(ExecutorService.execute(Runnable command));或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行(ExecutorService.submit(Runnable task)或ExecutorService.submit(Callable task))。

执行execute()方法和submit()方法的区别是什么呢?
1)execute()方法用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功与否;
2)submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象,通过这个future对象可以判断任务是否执行成功,并且可以通过future的get()方法来获取返回值,get()方法会阻塞当前线程直到任务完成,而使用get(long timeout,TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回,这时候有可能任务没有执行完。

  1. 如果执行ExecutorService.submit(…),ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象(我们刚刚也提到过了执行execute()方法和submit()方法的区别,到目前为止的JDK中,返回的是FutureTask对象)。由于FutureTask实现了Runnable,程序员也可以创建FutureTask,然后直接交给ExecutorService执行。

  2. 最后,主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。

三 ThreadPoolExecutor详解

线程池实现类ThreadPoolExecutor是Executor 框架最核心的类,先来看一下这个类中比较重要的四个属性

3.1 ThreadPoolExecutor类的四个比较重要的属性

ThreadPoolExecutor比较重要的四个属性

3.2 ThreadPoolExecutor类中提供的四个构造方法

我们看最长的那个,其余三个都是在这个构造方法的基础上产生(给定某些默认参数的构造方法)

    /**
     * 用给定的初始参数创建一个新的ThreadPoolExecutor。

     * @param keepAliveTime 当线程池中的线程数量大于corePoolSize的时候,如果这时没有新的任务提交,
     *核心线程外的线程不会立即销毁,而是会等待,直到等待的时间超过了keepAliveTime;
     * @param unit  keepAliveTime参数的时间单位
     * @param workQueue 等待队列,当任务提交时,如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize的时候,把该任务封装成一个Worker对象放入等待队列;
     * 
     * @param threadFactory 执行者创建新线程时使用的工厂
     * @param handler RejectedExecutionHandler类型的变量,表示线程池的饱和策略。
     * 如果阻塞队列满了并且没有空闲的线程,这时如果继续提交任务,就需要采取一种策略处理该任务。
     * 线程池提供了4种策略:
        1.AbortPolicy:直接抛出异常,这是默认策略;
        2.CallerRunsPolicy:用调用者所在的线程来执行任务;
        3.DiscardOldestPolicy:丢弃阻塞队列中靠最前的任务,并执行当前任务;
        4.DiscardPolicy:直接丢弃任务;
     */
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

3.3 如何创建ThreadPoolExecutor

在《阿里巴巴Java开发手册》“并发处理”这一章节,明确指出线程资源必须通过线程池提供,不允许在应用中自行显示创建线程。

为什么呢?

使用线程池的好处是减少在创建和销毁线程上所消耗的时间以及系统资源开销,解决资源不足的问题。如果不使用线程池,有可能会造成系统创建大量同类线程而导致消耗完内存或者“过度切换”的问题。

另外《阿里巴巴Java开发手册》中强制线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险

Executors 返回线程池对象的弊端如下:

  • FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor : 允许请求的队列长度为 Integer.MAX_VALUE,可能堆积大量的请求,从而导致OOM。
  • CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool : 允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE ,可能会创建大量线程,从而导致OOM。

方式一:通过构造方法实现
通过构造方法实现
方式二:通过Executor 框架的工具类Executors来实现
我们可以创建三种类型的ThreadPoolExecutor:

  • FixedThreadPool
  • SingleThreadExecutor
  • CachedThreadPool

对应Executors工具类中的方法如图所示:
通过Executor 框架的工具类Executors来实现

3.4 FixedThreadPool详解

FixedThreadPool被称为可重用固定线程数的线程池。通过Executors类中的相关源代码来看一下相关实现:

   /**
     * 创建一个可重用固定数量线程的线程池
	 *在任何时候至多有n个线程处于活动状态
	 *如果在所有线程处于活动状态时提交其他任务,则它们将在队列中等待,
	 *直到线程可用。 如果任何线程在关闭之前的执行期间由于失败而终止,
	 *如果需要执行后续任务,则一个新的线程将取代它。池中的线程将一直存在
	 *知道调用shutdown方法
     * @param nThreads 线程池中的线程数
     * @param threadFactory 创建新线程时使用的factory
     * @return 新创建的线程池
     * @throws NullPointerException 如果threadFactory为null
     * @throws IllegalArgumentException if {@code nThreads <= 0}
     */
    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

另外还有一个FixedThreadPool的实现方法,和上面的类似,所以这里不多做阐述:

    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

从上面源代码可以看出新创建的FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为nThreads。
FixedThreadPool的execute()方法运行示意图(该图片来源:《Java并发编程的艺术》):

FixedThreadPool的execute()方法运行示意图

上图说明:

  1. 如果当前运行的线程数小于corePoolSize,则创建新的线程来执行任务;
  2. 当前运行的线程数等于corePoolSize后,将任务加入LinkedBlockingQueue;
  3. 线程执行完1中的任务后,会在循环中反复从LinkedBlockingQueue中获取任务来执行;

FixedThreadPool使用无界队列 LinkedBlockingQueue(队列的容量为Intger.MAX_VALUE)作为线程池的工作队列会对线程池带来如下影响:

  1. 当线程池中的线程数达到corePoolSize后,新任务将在无界队列中等待,因此线程池中的线程数不会超过corePoolSize;
  2. 由于1,使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数;
  3. 由于1和2,使用无界队列时keepAliveTime将是一个无效参数;
  4. 运行中的FixedThreadPool(未执行shutdown()或shutdownNow()方法)不会拒绝任务

3.5 SingleThreadExecutor详解

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor。下面看看SingleThreadExecutor的实现:

   /**
     *创建使用单个worker线程运行无界队列的Executor
	 *并使用提供的ThreadFactory在需要时创建新线程
     *
     * @param threadFactory 创建新线程时使用的factory
     *
     * @return 新创建的单线程Executor
     * @throws NullPointerException 如果ThreadFactory为空
     */
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                    threadFactory));
    }
   public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

从上面源代码可以看出新创建的SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为1.其他参数和FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列(队列的容量为Intger.MAX_VALUE)。SingleThreadExecutor使用无界队列作为线程池的工作队列会对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同。

SingleThreadExecutor的运行示意图(该图片来源:《Java并发编程的艺术》):
SingleThreadExecutor的运行示意图

上图说明;

  1. 如果当前运行的线程数少于corePoolSize,则创建一个新的线程执行任务;
  2. 当前线程池中有一个运行的线程后,将任务加入LinkedBlockingQueue
  3. 线程执行完1中的任务后,会在循环中反复从LinkedBlockingQueue中获取任务来执行;

3.6 CachedThreadPool详解

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。下面通过源码来看看 CachedThreadPool的实现:

    /**
     * 创建一个线程池,根据需要创建新线程,但会在先前构建的线程可用时重用它,
	 *并在需要时使用提供的ThreadFactory创建新线程。
     * @param threadFactory 创建新线程使用的factory
     * @return 新创建的线程池
     * @throws NullPointerException 如果threadFactory为空
     */
    public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为空(0),maximumPoolSize被设置为Integer.MAX.VALUE,即它是无界的,这也就意味着如果主线程提交任务的速度高于maximumPool中线程处理任务的速度时,CachedThreadPool会不断创建新的线程。极端情况下,这样会导致耗尽cpu和内存资源。

CachedThreadPool的execute()方法的执行示意图(该图片来源:《Java并发编程的艺术》):
CachedThreadPool的execute()方法的执行示意图

上图说明:

  1. 首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果当前maximumPool中有闲线程正在执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS),那么主线程执行offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功,主线程把任务交给空闲线程执行,execute()方法执行完成,否则执行下面的步骤2;
  2. 当初始maximumPool为空,或者maximumPool中没有空闲线程时,将没有线程执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS)。这种情况下,步骤1将失败,此时CachedThreadPool会创建新线程执行任务,execute方法执行完成;

3.7 ThreadPoolExecutor使用示例

3.7.1 示例代码

首先创建一个Runnable接口的实现类(当然也可以是Callable接口,我们上面也说了两者的区别是:Runnable接口不会返回结果但是Callable接口可以返回结果。后面介绍Executors类的一些方法的时候会介绍到两者的相互转换。)

import java.util.Date;

/**
 * 这是一个简单的Runnable类,需要大约5秒钟来执行其任务。
 */
public class WorkerThread implements Runnable {

    private String command;

    public WorkerThread(String s) {
        this.command = s;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start. Time = " + new Date());
        processCommand();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End. Time = " + new Date());
    }

    private void processCommand() {
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.command;
    }
}

编写测试程序,我们这里以FixedThreadPool为例子

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //创建一个FixedThreadPool对象
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //创建WorkerThread对象(WorkerThread类实现了Runnable 接口)
            Runnable worker = new WorkerThread("" + i);
            //执行Runnable
            executor.execute(worker);
        }
        //终止线程池
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
        }
        System.out.println("Finished all threads");
    }
}

输出示例:

pool-1-thread-5 Start. Time = Thu May 31 10:22:52 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Thu May 31 10:22:52 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Thu May 31 10:22:52 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Thu May 31 10:22:52 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Thu May 31 10:22:52 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-5 End. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-5 Start. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Thu May 31 10:22:57 CST 2018
pool-1-thread-5 End. Time = Thu May 31 10:23:02 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Thu May 31 10:23:02 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Thu May 31 10:23:02 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Thu May 31 10:23:02 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Thu May 31 10:23:02 CST 2018
Finished all threads

3.7.2 shutdown()VS shutdownNow()

shutdown()方法表明关闭已在Executor上调用,因此不会再向DelayedPool添加任何其他任务(由ScheduledThreadPoolExecutor类在内部使用)。 但是,已经在队列中提交的任务将被允许完成。
另一方面,shutdownNow()方法试图终止当前正在运行的任务,并停止处理排队的任务并返回正在等待执行的List。

3.7.3 isTerminated() Vs isShutdown()

isShutdown()表示执行程序正在关闭,但并非所有任务都已完成执行。
另一方面,isShutdown()表示所有线程都已完成执行。

四 ScheduledThreadPoolExecutor详解

4.1 简介

ScheduledThreadPoolExecutor主要用来在给定的延迟后运行任务,或者定期执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor使用的任务队列DelayQueue封装了一个PriorityQueue,PriorityQueue会对队列中的任务进行排序,执行所需时间短的放在前面先被执行(ScheduledFutureTask的time变量小的先执行),如果执行所需时间相同则先提交的任务将被先执行(ScheduledFutureTask的squenceNumber变量小的先执行)。

ScheduledThreadPoolExecutor和Timer的比较:

  • Timer对系统时钟的变化敏感,ScheduledThreadPoolExecutor不是;
  • Timer只有一个执行线程,因此长时间运行的任务可以延迟其他任务。 ScheduledThreadPoolExecutor可以配置任意数量的线程。 此外,如果你想(通过提供ThreadFactory),你可以完全控制创建的线程;
  • 在TimerTask中抛出的运行时异常会杀死一个线程,从而导致Timer死机:-( …即计划任务将不再运行。ScheduledThreadExecutor不仅捕获运行时异常,还允许您在需要时处理它们(通过重写afterExecute方法 ThreadPoolExecutor)。抛出异常的任务将被取消,但其他任务将继续运行。

综上,在JDK1.5之后,你没有理由再使用Timer进行任务调度了。

备注: Quartz是一个由java编写的任务调度库,由OpenSymphony组织开源出来。在实际项目开发中使用Quartz的还是居多,比较推荐使用Quartz。因为Quartz理论上能够同时对上万个任务进行调度,拥有丰富的功能特性,包括任务调度、任务持久化、可集群化、插件等等。

4.2 ScheduledThreadPoolExecutor运行机制

ScheduledThreadPoolExecutor运行机制

ScheduledThreadPoolExecutor的执行主要分为两大部分:

  1. 当调用ScheduledThreadPoolExecutor的 scheduleAtFixedRate() 方法或者scheduleWirhFixedDelay() 方法时,会向ScheduledThreadPoolExecutor的 DelayQueue 添加一个实现了 RunnableScheduledFutur 接口的 ScheduledFutureTask 。
  2. 线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask,然后执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor为了实现周期性的执行任务,对ThreadPoolExecutor做了如下修改:

  • 使用 DelayQueue 作为任务队列;
  • 获取任务的方不同
  • 执行周期任务后,增加了额外的处理

4.3 ScheduledThreadPoolExecutor执行周期任务的步骤

ScheduledThreadPoolExecutor执行周期任务的步骤

  1. 线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask(DelayQueue.take())。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前系统的时间;
  2. 线程1执行这个ScheduledFutureTask;
  3. 线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间;
  4. 线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中(DelayQueue.add())。

4.4 ScheduledThreadPoolExecutor使用示例

  1. 创建一个简单的实现Runnable接口的类(我们上面的例子已经实现过)

  2. 测试程序使用ScheduledExecutorService和ScheduledThreadPoolExecutor实现的java调度。

/**
 * 使用ScheduledExecutorService和ScheduledThreadPoolExecutor实现的java调度程序示例程序。
 */
public class ScheduledThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //创建一个ScheduledThreadPoolExecutor对象
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        //计划在某段时间后运行
        System.out.println("Current Time = "+new Date());
        for(int i=0; i<3; i++){
            Thread.sleep(1000);
            WorkerThread worker = new WorkerThread("do heavy processing");
            //创建并执行在给定延迟后启用的单次操作。 
            scheduledThreadPool.schedule(worker, 10, TimeUnit.SECONDS);
        }

        //添加一些延迟让调度程序产生一些线程
        Thread.sleep(30000);
        System.out.println("Current Time = "+new Date());
        //关闭线程池
        scheduledThreadPool.shutdown();
        while(!scheduledThreadPool.isTerminated()){
            //等待所有任务完成
        }
        System.out.println("Finished all threads");
    }

}

运行结果:

Current Time = Wed May 30 17:11:16 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:11:27 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:11:28 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Wed May 30 17:11:29 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:11:32 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:11:33 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Wed May 30 17:11:34 CST 2018
Current Time = Wed May 30 17:11:49 CST 2018
Finished all threads

4.4.1 ScheduledExecutorService scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit)方法

我们可以使用ScheduledExecutorService scheduleAtFixedRate方法来安排任务在初始延迟后运行,然后在给定的时间段内运行。

时间段是从池中第一个线程的开始,因此如果您将period指定为1秒并且线程运行5秒,那么只要第一个工作线程完成执行,下一个线程就会开始执行。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
	Thread.sleep(1000);
	WorkerThread worker = new WorkerThread("do heavy processing");
	// schedule task to execute at fixed rate
	scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(worker, 0, 10,
	TimeUnit.SECONDS);
}

输出示例:

Current Time = Wed May 30 17:47:09 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:47:10 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:47:11 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Wed May 30 17:47:12 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:47:15 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:47:16 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Wed May 30 17:47:17 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:47:20 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Wed May 30 17:47:21 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:47:22 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:47:25 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Wed May 30 17:47:26 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:47:27 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:47:30 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Wed May 30 17:47:31 CST 2018
pool-1-thread-5 Start. Time = Wed May 30 17:47:32 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:47:35 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Wed May 30 17:47:36 CST 2018
pool-1-thread-5 End. Time = Wed May 30 17:47:37 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:47:40 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:47:41 CST 2018
Current Time = Wed May 30 17:47:42 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:47:45 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:47:46 CST 2018
Finished all threads

Process finished with exit code 0

4.4.2 ScheduledExecutorService scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit)方法

ScheduledExecutorService scheduleWithFixedDelay方法可用于以初始延迟启动周期性执行,然后以给定延迟执行。 延迟时间是线程完成执行的时间。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
	Thread.sleep(1000);
	WorkerThread worker = new WorkerThread("do heavy processing");
	scheduledThreadPool.scheduleWithFixedDelay(worker, 0, 1,
	TimeUnit.SECONDS);
}

输出示例:

Current Time = Wed May 30 17:58:09 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:58:10 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:11 CST 2018
pool-1-thread-3 Start. Time = Wed May 30 17:58:12 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:58:15 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:16 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:58:16 CST 2018
pool-1-thread-3 End. Time = Wed May 30 17:58:17 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Wed May 30 17:58:17 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:18 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:58:21 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:58:22 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Wed May 30 17:58:22 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:23 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:23 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Wed May 30 17:58:24 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:58:27 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:28 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:58:28 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:29 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Wed May 30 17:58:29 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Wed May 30 17:58:30 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:58:33 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:34 CST 2018
pool-1-thread-1 Start. Time = Wed May 30 17:58:34 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:35 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Wed May 30 17:58:35 CST 2018
pool-1-thread-4 Start. Time = Wed May 30 17:58:36 CST 2018
pool-1-thread-1 End. Time = Wed May 30 17:58:39 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:40 CST 2018
pool-1-thread-5 Start. Time = Wed May 30 17:58:40 CST 2018
pool-1-thread-4 End. Time = Wed May 30 17:58:41 CST 2018
pool-1-thread-2 Start. Time = Wed May 30 17:58:41 CST 2018
Current Time = Wed May 30 17:58:42 CST 2018
pool-1-thread-5 End. Time = Wed May 30 17:58:45 CST 2018
pool-1-thread-2 End. Time = Wed May 30 17:58:46 CST 2018
Finished all threads

4.4.3 scheduleWithFixedDelay() vs scheduleAtFixedRate()

scheduleAtFixedRate(…)将延迟视为两个任务开始之间的差异(即定期调用)
scheduleWithFixedDelay(…)将延迟视为一个任务结束与下一个任务开始之间的差异

scheduleAtFixedRate(): 创建并执行在给定的初始延迟之后,随后以给定的时间段首先启用的周期性动作; 那就是执行将在initialDelay之后开始,然后initialDelay+period ,然后是initialDelay + 2 * period ,等等。 如果任务的执行遇到异常,则后续的执行被抑制。 否则,任务将仅通过取消或终止执行人终止。 如果任务执行时间比其周期长,则后续执行可能会迟到,但不会同时执行。
scheduleWithFixedDelay() : 创建并执行在给定的初始延迟之后首先启用的定期动作,随后在一个执行的终止和下一个执行的开始之间给定的延迟。 如果任务的执行遇到异常,则后续的执行被抑制。 否则,任务将仅通过取消或终止执行终止。

五 各种线程池的适用场景介绍

FixedThreadPool: 适用于为了满足资源管理需求,而需要限制当前线程数量的应用场景。它适用于负载比较重的服务器;

SingleThreadExecutor: 适用于需要保证顺序地执行各个任务并且在任意时间点,不会有多个线程是活动的应用场景。

CachedThreadPool: 适用于执行很多的短期异步任务的小程序,或者是负载较轻的服务器;

ScheduledThreadPoolExecutor: 适用于需要多个后台执行周期任务,同时为了满足资源管理需求而需要限制后台线程的数量的应用场景,

SingleThreadScheduledExecutor: 适用于需要单个后台线程执行周期任务,同时保证顺序地执行各个任务的应用场景。

六 总结

本节只是简单的介绍了一下使用线程池的好处,然后花了大量篇幅介绍Executor 框架。详细介绍了Executor 框架中ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor,并且通过实例详细讲解了ScheduledThreadPoolExecutor的使用。对于FutureTask 只是粗略带过,因为篇幅问题,并没有深究它的原理,后面的文章会进行补充。这一篇文章只是大概带大家过一下线程池的基本概览,深入讲解的地方不是很多,后续会通过源码深入研究其中比较重要的一些知识点。

最后,就是这两周要考试了,会抽点时间出来简单应付一下学校考试了。然后,就是写这篇多线程的文章废了好多好多时间。一直不知从何写起。

参考

《Java并发编程的艺术》

Java Scheduler ScheduledExecutorService ScheduledThreadPoolExecutor Example

java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor Example

ThreadPoolExecutor – Java Thread Pool Example

synchronized 关键字的总结

synchronized关键字最主要的三种使用方式的总结

  • 修饰实例方法,作用于当前对象实例加锁,进入同步代码前要获得当前对象实例的锁
  • 修饰静态方法,作用于当前类对象加锁,进入同步代码前要获得当前类对象的锁 。也就是给当前类加锁,会作用于类的所有对象实例,因为静态成员不属于任何一个实例对象,是类成员( static 表明这是该类的一个静态资源,不管new了多少个对象,只有一份,所以对该类的所有对象都加了锁)。所以如果一个线程A调用一个实例对象的非静态synchronized 方法,而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法,是允许的,不会发生互斥现象,因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁,而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁
  • 修饰代码块,指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁。 和 synchronized 方法一样,synchronized(this)代码块也是锁定当前对象的。synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class)代码块上都是是给 Class 类上锁。这里再提一下:synchronized关键字加到非 static 静态方法上是给对象实例上锁。另外需要注意的是:尽量不要使用 synchronized(String a) 因为JVM中,字符串常量池具有缓冲功能!

synchronized 关键字底层实现原理总结

  • synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。 当执行 monitorenter 指令时,线程试图获取锁也就是获取 monitor(monitor对象存在于每个Java对象的对象头中,synchronized 锁便是通过这种方式获取锁的,也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因) 的持有权.当计数器为0则可以成功获取,获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执行 monitorexit 指令后,将锁计数器设为0,表明锁被释放。如果获取对象锁失败,那当前线程就要阻塞等待,直到锁被另外一个线程释放为止。

  • synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令,取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了该方法是一个同步方法,JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。 在 Java 早期版本中,synchronized 属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock 来实现的,Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程,都需要操作系统帮忙完成,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

    所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统,

synchronized关键字底层优化总结

JDK1.6 对锁的实现引入了大量的优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

锁主要存在四中状态,依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态,他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级,这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁

引入偏向锁的目的和引入轻量级锁的目的很像,他们都是为了没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。但是不同是:轻量级锁在无竞争的情况下使用 CAS 操作去代替使用互斥量。而偏向锁在无竞争的情况下会把整个同步都消除掉

偏向锁的“偏”就是偏心的偏,它的意思是会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行中,该锁没有被其他线程获取,那么持有偏向锁的线程就不需要进行同步!关于偏向锁的原理可以查看《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》第二版的13章第三节锁优化。

但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。

轻量级锁

倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)。轻量级锁不是为了代替重量级锁,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗,因为使用轻量级锁时,不需要申请互斥量。另外,轻量级锁的加锁和解锁都用到了CAS操作。 关于轻量级锁的加锁和解锁的原理可以查看《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》第二版的13章第三节锁优化。

轻量级锁能够提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,这是一个经验数据。如果没有竞争,轻量级锁使用 CAS 操作避免了使用互斥操作的开销。但如果存在锁竞争,除了互斥量开销外,还会额外发生CAS操作,因此在有锁竞争的情况下,轻量级锁比传统的重量级锁更慢!如果锁竞争激烈,那么轻量级将很快膨胀为重量级锁!

自旋锁和自适应自旋

轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。

互斥同步对性能最大的影响就是阻塞的实现,因为挂起线程/恢复线程的操作都需要转入内核态中完成(用户态转换到内核态会耗费时间)。

一般线程持有锁的时间都不是太长,所以仅仅为了这一点时间去挂起线程/恢复线程是得不偿失的。 所以,虚拟机的开发团队就这样去考虑:“我们能不能让后面来的请求获取锁的线程等待一会而不被挂起呢?看看持有锁的线程是否很快就会释放锁”。为了让一个线程等待,我们只需要让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就叫做自旋

百度百科对自旋锁的解释:

何谓自旋锁?它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实,自旋锁与互斥锁比较类似,它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁,还是自旋锁,在任何时刻,最多只能有一个保持者,也就说,在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁,如果资源已经被占用,资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,"自旋"一词就是因此而得名。

自旋锁在 JDK1.6 之前其实就已经引入了,不过是默认关闭的,需要通过--XX:+UseSpinning参数来开启。JDK1.6及1.6之后,就改为默认开启的了。需要注意的是:自旋等待不能完全替代阻塞,因为它还是要占用处理器时间。如果锁被占用的时间短,那么效果当然就很好了!反之,相反!自旋等待的时间必须要有限度。如果自旋超过了限定次数任然没有获得锁,就应该挂起线程。自旋次数的默认值是10次,用户可以修改--XX:PreBlockSpin来更改

另外,在 JDK1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应的自旋锁带来的改进就是:自旋的时间不在固定了,而是和前一次同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定,虚拟机变得越来越“聪明”了

锁消除

锁消除理解起来很简单,它指的就是虚拟机即使编译器在运行时,如果检测到那些共享数据不可能存在竞争,那么就执行锁消除。锁消除可以节省毫无意义的请求锁的时间。

锁粗化

原则上,我们再编写代码的时候,总是推荐将同步快的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下,上面的原则都是没有问题的,但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,那么会带来很多不必要的性能消耗。

ReenTrantLock 和 synchronized 关键字的总结

推荐一篇讲解 ReenTrantLock 的使用比较基础的文章:《Java多线程学习(六)Lock锁的使用》

两者都是可重入锁

两者都是可重入锁。“可重入锁”概念是:自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁,此时这个对象锁还没有释放,当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的,如果不可锁重入的话,就会造成死锁。同一个线程每次获取锁,锁的计数器都自增1,所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。

synchronized 依赖于 JVM 而 ReenTrantLock 依赖于 API

synchronized 是依赖于 JVM 实现的,前面我们也讲到了 虚拟机团队在 JDK1.6 为 synchronized 关键字进行了很多优化,但是这些优化都是在虚拟机层面实现的,并没有直接暴露给我们。ReenTrantLock 是 JDK 层面实现的(也就是 API 层面,需要 lock() 和 unlock 方法配合 try/finally 语句块来完成),所以我们可以通过查看它的源代码,来看它是如何实现的。

ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能

相比synchronized,ReenTrantLock增加了一些高级功能。主要来说主要有三点:①等待可中断;②可实现公平锁;③可实现选择性通知(锁可以绑定多个条件)

  • ReenTrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制,通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。也就是说正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情。
  • ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。 ReenTrantLock默认情况是非公平的,可以通过 ReenTrantLock类的ReentrantLock(boolean fair)构造方法来制定是否是公平的。
  • synchronized关键字与wait()和notify/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知机制,ReentrantLock类当然也可以实现,但是需要借助于Condition接口与newCondition() 方法。Condition是JDK1.5之后才有的,它具有很好的灵活性,比如可以实现多路通知功能也就是在一个Lock对象中可以创建多个Condition实例(即对象监视器),线程对象可以注册在指定的Condition中,从而可以有选择性的进行线程通知,在调度线程上更加灵活。 在使用notify/notifyAll()方法进行通知时,被通知的线程是由 JVM 选择的,用ReentrantLock类结合Condition实例可以实现“选择性通知” ,这个功能非常重要,而且是Condition接口默认提供的。而synchronized关键字就相当于整个Lock对象中只有一个Condition实例,所有的线程都注册在它一个身上。如果执行notifyAll()方法的话就会通知所有处于等待状态的线程这样会造成很大的效率问题,而Condition实例的signalAll()方法 只会唤醒注册在该Condition实例中的所有等待线程。

如果你想使用上述功能,那么选择ReenTrantLock是一个不错的选择。

性能已不是选择标准

在JDK1.6之前,synchronized 的性能是比 ReenTrantLock 差很多。具体表示为:synchronized 关键字吞吐量岁线程数的增加,下降得非常严重。而ReenTrantLock 基本保持一个比较稳定的水平。我觉得这也侧面反映了, synchronized 关键字还有非常大的优化余地。后续的技术发展也证明了这一点,我们上面也讲了在 JDK1.6 之后 JVM 团队对 synchronized 关键字做了很多优化。JDK1.6 之后,synchronized 和 ReenTrantLock 的性能基本是持平了。所以网上那些说因为性能才选择 ReenTrantLock 的文章都是错的!JDK1.6之后,性能已经不是选择synchronized和ReenTrantLock的影响因素了!而且虚拟机在未来的性能改进中会更偏向于原生的synchronized,所以还是提倡在synchronized能满足你的需求的情况下,优先考虑使用synchronized关键字来进行同步!优化后的synchronized和ReenTrantLock一样,在很多地方都是用到了CAS操作

posted @ 2021-07-29 14:00  CharyGao  阅读(0)  评论(0编辑  收藏  举报