《Java 高级篇》七：线程和线程池

Author: ACatSmiling

Since: 2024-10-01

程序、进程和线程

程序（program）：是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

进程（process）：是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程 —— 生命周期。如：运行中的 QQ，运行中的 MP3 播放器。

程序是静态的，进程是动态的。
进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

线程（thread）：进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。

若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的。
线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器（pc），线程切换的开销小。
一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间（方法区、堆）：它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

单核 CPU 和多核 CPU 的理解：

单核 CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。只是因为 CPU 时间单元特别短，因此感觉不出来。例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么 CPU 就好比收费人员。如果有某个人没准备好交钱，那么收费人员可以把他 "挂起"，晾着他，等他准备好了钱，再去收费。
如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率，现在的服务器基本都是多核的。
一个 Java 应用程序 java.exe，其实至少有三个线程：main() 主线程，gc() 垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

并行与并发：

并行：多个 CPU 同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
并发：一个 CPU（采用时间片）同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事。

多线程程序的优点：

以单核 CPU 为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短（因为单核 CPU，在多线程之间进行切换时，也需要花费时间），为何仍需多线程呢？

提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
提高计算机系统 CPU 的利用率。
改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改。

何时需要多线程：

程序需要同时执行两个或多个任务。
程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
需要一些后台运行的程序时。

Thread 类

Java 语言的 JVM 允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来体现。

Thread 类的特性：

每个线程都是通过某个特定 Thread 对象的run()方法来完成操作的，经常把 run() 方法的主体称为线程体。
应该通过 Thread 对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用 run()。
- 如果手动调用 run()，那么就只是普通的方法，并没有启动多线程。
- 调用 start() 之后，run() 由 JVM 调用，什么时候调用以及执行的过程控制都由操作系统的 CPU 调度决定。

构造器：

Thread()
Thread(String threadname)
Thread(Runnable target)
Thread(Runnable target, String name)

方法：

void start()：启动当前线程，并执行当前线程对象的run()方法。
run()：通常需要重写 Thread 类中的此方法，将创建的线程在被调度时需要执行的操作声明在此方法中。
static Thread currentThread()：静态方法，返回执行当前代码的线程。在 Thread 子类中就是 this，通常用于主线程和 Runnable 实现类。
String getName()：返回当前线程的名称。

void setName(String name)：设置当前线程的名称。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 设置 main 线程的名字
        Thread.currentThread().setName("主线程");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());

        // 设置自定义线程的名字
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.setName("自定义线程一");
        myThread.start();

        // 构造器设置自定义线程的名字
        new MyThread("自定义线程二").start();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {

    }

    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

static void yield()：释放当前线程 CPU 的执行权，但有可能 CPU 再次分配资源时，仍然优先分配到当前线程。
join()：在某个线程 a 中调用线程 b 的 join() 方法时，调用线程 a 将进入阻塞状态，直到线程 b 执行完之后，线程 a 才结束阻塞状态，然后重新排队等待 CPU 分配资源执行剩下的任务。注意：调用 join() 方法之后，比当前线程低优先级的线程也可以获得执行。
static void sleep(long millis)：让当前线程 "睡眠" 指定的 millis 毫秒时间，在指定的 millis 毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。时间到达时，重新排队等待 CPU 分配资源。
stop()：强制结束当前线程，已过时。
boolean isAlive()：返回 boolean，判断线程是否存活。

示例：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();

        System.out.println(myThread.isAlive());

        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 != 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
            }

            if (i == 20) {
                try {
                    myThread.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            ;
        }

        System.out.println(myThread.isAlive());
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
            }

            if (i % 20 == 0) {
                yield();
            }

            if (i % 30 == 0) {
                try {
                    sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

线程

线程的调度策略

调度策略：

时间片策略：
抢占式策略：高优先级的线程抢占 CPU。

Java 的调度方法：

同优先级线程，组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略。
高优先级线程，使用优先调度的抢占式策略。

线程的优先级

线程的优先级等级：

MAX_PRIORITY：10，最大优先级。
MIN _PRIORITY：1，最小优先级。
NORM_PRIORITY：5，默认优先级。

涉及的方法：

getPriority()：获取线程的优先值。

setPriority(int newPriority)：设置线程的优先级。

System.out.println(Thread.currentThread().getPriority());
Thread.currentThread().setPriority(8);

说明：

线程创建时继承父线程的优先级。
低优先级只是获得调度的概率低，但并非一定是在高优先级线程之后才被调用。

线程的分类

Java 中的线程分为两类：一种是用户线程，一种是守护线程。

用户线程和守护线程，几乎在每个方面都是相同的，唯一的区别是判断 JVM 何时离开。
守护线程是用来服务用户线程的，通过在 start() 前调用thread.setDaemon(true)，可以把一个用户线程变成一个守护线程。
Java 垃圾回收就是一个典型的守护线程。
若 JVM 中都是守护线程，当前 JVM 将退出。

线程的生命周期

要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java 语言使用 Thread 类及其子类的对象来表示线程，并用Thread.State类定义了线程的几种状态，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：

新建：当一个 Thread 类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态。
就绪：处于新建状态的线程被 start() 后，将进入线程队列等待 CPU 时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到 CPU 资源。
运行：当就绪的线程被调度并获得 CPU 资源时，便进入运行状态，run() 定义了线程的操作和功能。
阻塞：在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出 CPU 并临时中止自己的执行，进入阻塞状态。
死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束。

线程的创建

线程创建的一般过程：

方式一：继承 Thread 类

创建一个继承 Thread 类的子类。
重写 Thread 类的 run()：将此线程执行的操作声明在 run() 方法体中。
创建 Thread 类的子类的对象实例。
通过该对象调用 start()。
- 启动当前线程。
- 调用当前线程的 run()。
- 不能通过直接调用对象的 run() 的形式启动线程。
- 不能再次调用当前对象的 start() 去开启一个新的线程，否则报 java.lang.IllegalThreadStateException 异常。
- 如果要启动一个新的线程，需要重新创建一个 Thread 类的子类的对象，并调用其 start()。

示例一：

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
      // 启动一个子线程
      MyThread myThread = new MyThread();
      myThread.start();
      
      // 启动一个新的子线程，并执行 run 方法
      MyThread myThread2 = new MyThread();
      myThread2.start();
      
      // main 线程
      for (int i = 0; i <= 100; i++) {
          if (i % 2 != 0) {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
          }
      }
  }
}

class MyThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
      for (int i = 0; i <= 100; i++) {
          if (i % 2 == 0) {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
          }
      }
  }
}

示例二：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 匿名内部类
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 == 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();

        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 != 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

方式二：实现 Runnable 接口

创建一个实现了 Runnable 接口的类。
实现类去实现 Runnable 接口中的抽象方法：run()。
创建实现类的对象。
将此对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，然后创建 Thread 类的对象。
通过 Thread 类的对象，调用 start()，最终执行的是上面重写的 run()。

示例：

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
      // 启动多个子线程时，只需要创建一个 Runnable 接口实现类的对象
      MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
      
      // 启动一个子线程
      Thread thread = new Thread(myRunnable);
      thread.start();

      // 启动一个新的子线程，并执行 run 方法
      Thread thread2 = new Thread(myRunnable);
      thread2.start();


      // main 线程
      for (int i = 0; i <= 100; i++) { 
          if (i % 2 != 0) {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
          }
      }
  }
}

class MyRunnable implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
      for (int i = 0; i <= 100; i++) {
          if (i % 2 == 0) {
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
          }
      }
  }
}

方式一和方式二的对比

开发中，优先选择实现 Runnable 接口的方式。

实现 Runnable 接口的方式，没有类的单继承性的局限性。
实现 Runnable 接口的方式，更适合处理多个线程有共享数据的情况。
Thread 类也实现了 Runnable 接口，无论是方式一，还是方式二，都需要重写 Runnable 接口的 run() 方法，并将创建的线程需要执行的逻辑声明在 run() 方法中。

方式三：实现 Callable 接口

从 JDK 5.0 开始。
创建一个实现 Callable 接口的实现类。
实现call()，将此线程需要执行的操作声明在 call() 的方法体中。
创建 Callable 接口实现类的对象。
将此 Callable 接口实现类的对象作为参数传递到 FutureTask 的构造器中，创建 FutureTask 的对象。
- Future 接口可以对具体 Runnable 或 Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等操作。
- FutrueTask 是 Futrue 接口的唯一的实现类。
- FutureTask 同时实现了 Runnable 和 Future 接口。它既可以作为 Runnable 被线程执行，又可以作为 Future 得到 Callable 的返回值。
  - Runnable 接口的 run() 没有返回值。
  - Callable 接口的 call() 有返回值。
将 FutureTask 的对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，创建 Thread 类的对象，并调用 start()，启动线程。
根据实际需求，选择是否获得 Callable 中 call() 的返回值。

示例：

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
      // 3. 创建 Callable 接口实现类的对象
      MyCallable myCallable = new MyCallable();
      // 4. 将此 Callable 接口实现类的对象作为参数传递到 FutureTask 的构造器中，创建 FutureTask 的对象
      FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(myCallable);
      // 5. 将 FutureTask 的对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，创建 Thread 类的对象，并调用 start()，启动线程
      new Thread(futureTask).start();
      // 6. 获得 Callable 中 call() 的返回值
      try {
          // get() 返回值即为 FutureTask 构造器参数 Callable 实现类重写的 call() 的返回值
          Integer sum = futureTask.get();
          System.out.println("100以内偶数的总和为：" + sum);
      } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
}

// 1. 创建一个实现 Callable 接口的实现类
class MyCallable implements Callable<Integer> {
  // 2. 实现 call() 方法，将此线程需要执行的操作声明在 call() 的方法体中
  @Override
  public Integer call() throws Exception {
      int sum = 0;
      for (int i = 1; i <= 100; i++) {
          if (i % 2 == 0) {
              sum += i;
          }
      }
      return sum;
  }
}

与使用 Runnable 接口相比，Callable 接口功能更强大些：

相比 run() 方法，call() 可以有返回值。
call() 可以抛出异常，能够被外面的操作捕获，获取异常的信息。
Callable 支持泛型的返回值。
Callable 需要借助 FutureTask 类，比如获取 call() 的返回结果。

方式四：线程池

背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，会对性能影响很大。

思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中，这样可以避免频繁创建销毁，实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

提高响应速度，减少了创建新线程的时间。
降低资源消耗，重复利用线程池中线程，不需要每次都创建。
便于线程管理。
- corePoolSize：核心池的大小。
- maximumPoolSize：最大线程数。
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止。

JDK 5.0 起，提供了线程池相关 API：ExecutorService和Executors。

ExecutorService：真正的线程池接口，常用子类ThreadPoolExecutor。
- void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行 Runnable。
- <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般用来执行 Callable。
- void shutdown()：关闭连接池。
Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。
- Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池。
- Executors.newFixedThreadPool(n)：创建一个可重用固定线程数的线程池。
- Executors.newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池。
- Executors.newScheduledThreadPool(n)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。

示例：

public class ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 2. 执行指定的线程的操作，需要提供实现 Runnable 接口或 Callable 接口的实现类的对象

        // 2-1. execute() 适合使用于 Runnable
        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 == 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
                    }
                }
            }
        });

        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 != 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
                    }
                }
            }
        });

        // 2-2. submit() 适合适用于 Callable
        Future<Integer> evenSum = executorService.submit(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int evenSum = 0;
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 == 0) {
                        evenSum += i;
                    }
                }
                return evenSum;
            }
        });
        try {
            System.out.println("100以内的偶数和: " + evenSum.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Future<Integer> oddSum = executorService.submit(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int oddSum = 0;
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    if (i % 2 != 0) {
                        oddSum += i;
                    }
                }
                return oddSum;
            }
        });
        try {
            System.out.println("100以内的奇数和: " + oddSum.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 3. 使用完线程池后，需要关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

线程的同步

线程的安全问题

多线程安全问题实例，模拟火车站售票程序，开启三个窗口售票。

方式一：继承 Thread 类。

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 启动第一个售票窗口
        TicketThread thread1 = new TicketThread();
        thread1.setName("售票窗口一");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        TicketThread thread2 = new TicketThread();
        thread2.setName("售票窗口二");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        TicketThread thread3 = new TicketThread();
        thread3.setName("售票窗口三");
        thread3.start();

    }
}

class TicketThread extends Thread {
    // 总票数，必须定义为 static，随类只加载一次，因为每新建一个线程，都需要 new 一次 TicketThread
    private static int ticketNum = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticketNum > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

方式二：实现 Runnable 接口。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        TicketRunnable ticket = new TicketRunnable();

        // 启动第一个售票窗口
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "售票窗口1");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "售票窗口2");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "售票窗口3");
        thread3.start();
    }
}

class TicketRunnable implements Runnable {
    // 总票数，不必定义为 static，因为只需要 new 一次 TicketRunnable
    private int ticketNum = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticketNum > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

说明：

如上程序，在买票的过程中，出现了重票、错票，说明多线程的执行过程中，出现了安全问题。
问题的原因：当多条语句在操作同一个线程的共享数据时，当一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有执行完时，另一个线程参与进来执行，从而导致了共享数据的错误。
解决办法：对多条操作共享数据的语句，让一个线程全部执行完，在执行的过程中，其他线程不可以参与执行。

线程的同步机制

对于多线程的安全问题，Java 提供了专业的解决方式：同步机制。实现同步机制的方式，有同步代码块、同步方法、Lock 锁等多种形式。

同步的范围

如何找问题，即代码是否存在线程安全？--- 非常重要
（1）明确哪些代码是多线程运行的代码。
（2）明确多个线程是否有共享数据。
（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据。
如何解决呢？--- 非常重要

对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行，即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中。
切记：

范围太小：没锁住所有有安全问题的代码。

范围太大：没发挥多线程的功能。

同步机制的特点

优点：同步的方式，能够解决线程的安全问题。

局限性：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待，相当于是一个单线程的过程，效率低。

共享数据：多个线程共同操作的变量。

需要被同步的代码：操作共享数据的代码。

同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。

要求：多个线程必须要公用同一把锁！！！针对不同实现同步机制的方式，都要保证同步监视器是同一个！！！

同步机制中的锁

同步锁机制：在《Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

synchronized 的锁是什么：

任意对象都可以作为同步锁，所有对象都自动含有单一的锁（监视器）。
同步代码块的锁：自己指定，很多时候是指定为this或类名.class。
同步方法的锁：静态方法 ---> 类名.class，非静态方法 ---> this。
注意：
- 必须确保使用同一个资源的多个线程共用的是同一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全。
- 一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁 --- 类名.class，所有非静态方法共用同一把锁 --- this，同步代码块在指定锁的时候需谨慎。

能够释放锁的操作：

当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中遇到 break、return 终止了该代码块、该方法的继续执行。
当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的 Error 或 Exception，导致异常结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()，当前线程暂停，并释放锁。

不会释放锁的操作：

线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()暂停当前线程的执行。
线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()将该线程挂起，该线程不会释放锁。
应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程。

同步机制一：同步代码块

格式：

synchronized (同步监视器) {
    // 需要被同步的代码
}

继承 Thread 类方式的修正：

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 启动第一个售票窗口
        TicketThread thread1 = new TicketThread();
        thread1.setName("售票窗口一");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        TicketThread thread2 = new TicketThread();
        thread2.setName("售票窗口二");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        TicketThread thread3 = new TicketThread();
        thread3.setName("售票窗口三");
        thread3.start();

    }
}

class TicketThread extends Thread {
    // 总票数，必须定义为 static，随类只加载一次，因为每新建一个线程，都需要 new 一次 TicketThread
    private static int ticketNum = 100;

    // 锁，必须定义为 static
    private static Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (obj) {// 可以使用：synchronized (TicketThread.class)，不能使用：synchronized (this)
                if (ticketNum > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
                } else {
                	break;
            	}
            }
        }
    }
}

obj 可以使用 TicketThread.class（当前类）替代，TicketThread 类只会加载一次，类也是对象。

实现 Runnable 接口方式的修正：

public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        TicketRunnable ticket = new TicketRunnable();

        // 启动第一个售票窗口
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "售票窗口1");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "售票窗口2");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "售票窗口3");
        thread3.start();
    }
}


class TicketRunnable implements Runnable {
    // 总票数，不必定义为 static，因为只需要 new 一次 TicketRunnable
    private int ticketNum = 100;

    // 锁，不必定义为 static
    Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (obj) {// 可以使用：synchronized (this)
                if (ticketNum > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

obj 对象可以使用 this 代替，指代唯一的 TicketRunnable 对象。

同步机制二：同步方法

格式：

修饰符 synchronized 返回值类型 方法名 (形参列表) {}

如果操作共享数据的代码，完整的声明在一个方法中，则可以将此方法声明为同步方法。

同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要显示的声明：

非静态的同步方法，同步监视器是：this。
静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身。

继承 Thread 类方式的修正：

public class TestMethod1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 启动第一个售票窗口
        TicketMethod1 thread1 = new TicketMethod1();
        thread1.setName("售票窗口一");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        TicketMethod1 thread2 = new TicketMethod1();
        thread2.setName("售票窗口二");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        TicketMethod1 thread3 = new TicketMethod1();
        thread3.setName("售票窗口三");
        thread3.start();
    }
}

class TicketMethod1 extends Thread {
    // 总票数，必须定义为 static，随类只加载一次，因为每新建一个线程，都需要 new 一次 TicketThread
    private static int ticketNum = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            handleTicket();
        }
    }

    // 必须设置成 static 的，此时的同步监视器是 TicketMethod1.class
    private static synchronized void handleTicket() {
        if (ticketNum > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
        } else {
            break;
        }
    }
}

此时，同步方法要设置成 static 的，此时的同步监视器是 TicketMethod1.class（当前类）。

实现 Runnable 接口方式的修正：

public class TestMethod2 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketMethod2 ticket = new TicketMethod2();

        // 启动第一个售票窗口
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "售票窗口1");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "售票窗口2");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "售票窗口3");
        thread3.start();
    }
}

class TicketMethod2 implements Runnable {
    private int ticketNum = 100;

    @Override
    public void run() {// 有时可以直接设置 run 方法为 synchronized，但本例不行
        while (true) {
            handleTicket();
        }
    }

    // 非静态同步方法中，同步监视器：this
    private synchronized void handleTicket() {
        if (ticketNum > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
        } else {
            break;
        }
    }
}

此时，同步方法中的同步监视器是：this，即当前 TicketMethod2 类的对象。

同步机制三：Lock 锁

从 JDK 5.0 开始，Java 提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用 Lock 对象充当。

java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象。
在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，ReentrantLock 类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，可以显式加锁、释放锁。

声明格式：

继承 Thread 类方式的修正：

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 启动第一个售票窗口
        Ticket thread1 = new Ticket();
        thread1.setName("售票窗口一");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        Ticket thread2 = new Ticket();
        thread2.setName("售票窗口二");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        Ticket thread3 = new Ticket();
        thread3.setName("售票窗口三");
        thread3.start();
    }
}

class Ticket extends Thread {
    private static int ticketNum = 100;

    // 1. 实例化静态 ReentrantLock
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 2. 调用锁定方法：lock()
            lock.lock();
            try {
                if (ticketNum > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                lock.unlock();// 3. 调用解锁方法：unlock()
            }
        }
    }
}

ReentrantLock 实例对象需要设置为 static。

实现 Runnable 接口方式的修正：

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();

        // 启动第一个售票窗口
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "售票窗口1");
        thread1.start();

        // 启动第二个售票窗口
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "售票窗口2");
        thread2.start();

        // 启动第三个售票窗口
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "售票窗口3");
        thread3.start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticketNum = 100;

    // 1. 实例化ReentrantLock
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 2. 调用锁定方法：lock()
            lock.lock();
            try {
                if (ticketNum > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票，tick号为：" + ticketNum--);
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                lock.unlock();// 3. 调用解锁方法：unlock()
            }
        }
    }
}

synchronized 和 Lock 的对比

synchronized 是隐式锁，出了作用域自动释放同步监视器，而 Lock 是显式锁，需要手动开启和关闭锁。
synchronized 有代码块锁和方法锁，而 Lock 只有代码块锁。
使用 Lock 锁，JVM 将花费较少的时间来调度线程，性能更好，并且具有更好的扩展性（Lock 接口能提供更多的实现类）。

优先使用顺序：Lock ---> 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源）---> 同步方法（在方法体之外）

经典实例

银行有一个账户，有两个储户分别向这个账户存钱，每次存 1000，存 10 次，要求每次存完打印账户余额。

实现方式一：

public class AccountTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 一个账户
        Account account = new Account(0.0);

        // 两个储户
        Customer c1 = new Customer(account);
        Customer c2 = new Customer(account);

        c1.setName("甲");
        c2.setName("乙");

        c1.start();
        c2.start();
    }
}

class Account {
    private double balance;

    public Account(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    // 此时的锁是 Accout 的对象，本例的写法中，Account 只有一个，所以两个线程公用的是一个同步锁
    public synchronized void deposit(double amt) {
        if (amt > 0) {
            balance += amt;
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱成功，余额为：" + balance);
        }
    }
}

class Customer extends Thread {
    private Account account;

    public Customer(Account account) {
        this.account = account;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            account.deposit(1000.0);
        }
    }
}

实现方式二：

public class AccountTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 一个账户
        Account account = new Account(0.0);

        // 两个储户
        Customer c1 = new Customer(account);
        Customer c2 = new Customer(account);

        c1.setName("甲");
        c2.setName("乙");

        c1.start();
        c2.start();
    }
}

class Account {
    private double balance;

    public Account(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    public void deposit(double amt) {
        if (amt > 0) {
            balance += amt;
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱成功，余额为：" + balance);
        }
    }
}

class Customer extends Thread {
    private Account account;
    
    // static 的 Lock
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public Customer(Account account) {
        this.account = account;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            lock.lock();
            try {
                account.deposit(1000.0);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

线程的通信

wait()与notify()和notifyAll()
- wait()：一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。
  - 当前线程排队等候其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒，唤醒后等待重新获得对监视器的所有权后才能继续执行。
  - 被唤醒的线程从断点处继续代码的执行。
- notify()：一旦执行此方法，就会唤醒被wait()的一个线程。如果有多个线程被wait()，则唤醒优先级高的。
- notifyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait()的线程。
wait()与notify()和notifyAll()这三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
wait()与notify()和notifyAll()这三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。
- 否则会出现java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
wait()与notify()和notifyAll()这三个方法是定义在java.lang.Object类中的。
- 因为这三个方法必须由同步监视器调用，而任意对象都可以作为同步监视器，因此这三个方法只能在 Object 类中声明。

示例一：使用两个线程打印 1 - 100，要求线程 1 和线程 2 交替打印。

public class CommunicationTest {
  public static void main(String[] args) {
      Number number = new Number();

      Thread t1 = new Thread(number);
      Thread t2 = new Thread(number);

      t1.setName("线程1");
      t2.setName("线程2");

      t1.start();
      t2.start();
  }
}

class Number implements Runnable {
  private int number = 1;

  @Override
  public void run() {
      while (true) {
          synchronized (this) {
              // 唤醒被 wait() 的一个线程
              notify();// 等同于：this.notify();
              if (number <= 100) {
                  try {
                      Thread.sleep(10);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }

                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + number);
                  number++;

                  try {
                      // 使调用 wait() 方法的线程进入阻塞状态
                      wait();// 等同于：this.wait();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
              } else {
                  break;
              }
          }
      }
  }
}

示例二：生产者/消费者问题。

生产者（Producer）将产品交给店员（Clerk），而消费者（Customer）从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品（比如 20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

public class ProductTest {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();

        Producer producer1 = new Producer(clerk);
        producer1.setName("生产者1");

        Consumer consumer1 = new Consumer(clerk);
        consumer1.setName("消费者1");
        Consumer consumer2 = new Consumer(clerk);
        consumer2.setName("消费者2");

        producer1.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();
    }
}

class Clerk {
    private int productCount = 0;

    public synchronized void produceProduct() {
        if (productCount < 20) {
            productCount++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始生产第" + productCount + "个产品");
            notify();
        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public synchronized void consumerProduct() {
        if (productCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始消费第" + productCount + "个产品");
            productCount--;
            notify();
        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 生产者
class Producer extends Thread {
    private Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始生产产品...");
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer extends Thread {
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始消费产品...");
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumerProduct();
        }
    }
}

面试题：sleep()和wait()的异同。

相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。

不同点：

两个方法声明的位置不同：`sleep()`声明在 Thread 类中，`wait()`声明在 Object 类中。

调用的要求不同：`sleep()`可以在任何需要的场景下调用，`wait()`必须使用在同步代码块或同步方法中。

关于是否释放同步监视器：如果两个方法都是用在同步代码块或同步方法中，`sleep()`不会释放锁，`wait()`会释放锁。

线程的死锁问题

死锁：

不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁。
出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。

示例一：

public class DeadLock {
  public static void main(String[] args) {
      StringBuilder s1 = new StringBuilder();
      StringBuilder s2 = new StringBuilder();

      // 继承 Thread 类
      new Thread() {
          @Override
          public void run() {
              synchronized (s1) {
                  s1.append("a");
                  s2.append(1);

                  // 添加 sleep()，增加死锁触发的概率
                  try {
                      Thread.sleep(100);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }

                  synchronized (s2) {
                      s1.append("b");
                      s2.append(2);

                      System.out.println(s1);
                      System.out.println(s2);
                  }
              }
          }
      }.start();

      // 实现 Runnable 接口
      new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              synchronized (s2) {
                  s1.append("c");
                  s2.append(3);

                  // 添加 sleep()，增加死锁触发的概率
                  try {
                      Thread.sleep(100);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }

                  synchronized (s1) {
                      s1.append("d");
                      s2.append(4);

                      System.out.println(s1);
                      System.out.println(s2);
                  }
              }
          }
      }).start();
  }
}

示例二：

class A {
    public synchronized void foo(B b) {// 同步监视器：A 的对象
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + ", 进入了A实例的foo方法"); // ①
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + ", 企图调用B实例的last方法"); // ③
        b.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了A类的last方法内部");
    }
}

class B {
    public synchronized void bar(A a) {// 同步监视器：B 的对象
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + ", 进入了B实例的bar方法"); // ②
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + ", 企图调用A实例的last方法"); // ④
        a.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了B类的last方法内部");
    }
}

public class DeadLock implements Runnable {
    A a = new A();
    B b = new B();

    public void init() {
        Thread.currentThread().setName("主线程");
        // 调用 a 对象的 foo 方法
        a.foo(b);
        System.out.println("进入了主线程之后");
    }

    @Override
    public void run() {
        Thread.currentThread().setName("副线程");
        // 调用 b 对象的 bar 方法
        b.bar(a);
        System.out.println("进入了副线程之后");
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadLock deadLock = new DeadLock();
        new Thread(deadLock).start();
        deadLock.init();
    }
}

解决死锁的方法：

专门的算法、原则。
尽量减少同步资源的定义。
尽量避免嵌套同步。

线程池

线程池是预先创建线程的一种技术，线程池在还没有任务到来之前，事先创建一定数量的线程，放入空闲队列中，然后对这些资源进行复用，从而减少频繁的创建和销毁对象。

系统启动一个新线程的成本是比较高的，因为它涉及与操作系统交互。在这种情形下，使用线程池可以很好地提高性能，尤其是当程序中需要创建大量生存期很短暂的线程时，更应该考虑使用线程池。

与数据库连接池类似的是，线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程，程序将一个 Runnable 对象或 Callable 对象传给线程池，线程池就会启动一个线程来执行它们的run()或call()，当run()或call()执行结束后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态，等待执行下一个 Runnable 对象或 Callable 对象的run()或call()。

总结：由于系统创建和销毁线程都是需要时间和系统资源开销，为了提高性能，才考虑使用线程池。线程池会在系统启动时就创建大量的空闲线程，然后等待新的线程调用，线程执行结束并不会销毁，而是重新进入线程池，等待再次被调用。这样子就可以减少系统创建启动和销毁线程的时间，提高系统的性能。

使用 Executors 创建线程池

Executor 是线程池的顶级接口，接口中只定义了一个方法void execute(Runnable command);，线程池的操作方法都是定义在 ExecutorService 子接口中的，所以说ExecutorService 是线程池真正的接口。

newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

newFixedThreadPool

创建固定大小的线程池，每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到是大值就会保持不变。如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

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

newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60 秒不执行任务）的线程。当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对钱程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说 JVM）能够创建的最大线程大小。

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

使用 ThreadPoolExecutor 创建线程池

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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
            null :
            AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

构造函数参数说明

corePoolSize：核心线程数大小，当线程数小于 corePoolSize 的时候，会创建线程执行新的 runnable 或 callable。

maximumPoolSize：最大线程数，当线程数大于等于 corePoolSize 的时候，会把新的 runnable 或 callable 放入 workQueue 中。

keepAliveTime：保持存活时间，当线程数大于 corePoolSize 的时候，空闲线程能保持的最大时间。

unit：时间单位。

workQueue：保存任务的阻塞队列。

threadFactory：创建线程的工厂。

handler：拒绝策略。

任务执行顺序

当线程数小于 corePoolSize 时，创建线程执行新任务。
当线程数大于等于 corePoolSize，并且 workQueue 没有满时，新任务放入 workQueue 中。
当线程数大于等于 corePoolSize，并且 workQueue 满时，新任务创建新线程运行，但线程总数要小于 maximumPoolSize。
当线程总数等于 maximumPoolSize，并且 workQueue 满时，执行 handler 的 rejectedExecution，也就是拒绝策略。

1698120774628

阻塞队列

阻塞队列是一个在队列基础上又支持了两个附加操作的队列：

支持阻塞的插入方法：队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
支持阻塞的移除方法：队列空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列的应用场景

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。简而言之，阻塞队列是生产者用来存放元素、消费者获取元素的容器。

阻塞队列的方法

在阻塞队列不可用的时候，上述两个附加操作提供了四种处理方法：

方法处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

阻塞队列的类型

JDK 7 提供了 7 个阻塞队列，如下：

ArrayBlockingQueue：数组结构组成的有界阻塞队列。
- 此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序，但是默认情况下不保证线程公平的访问队列，即如果队列满了，那么被阻塞在外面的线程对队列访问的顺序是不能保证线程公平（即先阻塞，先插入）的。
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
- 此队列按照先出先进的原则对元素进行排序。
PriorityBlockingQueue：支持优先级的无界阻塞队列。
DelayQueue：支持延时获取元素的无界阻塞队列，即可以指定多久才能从队列中获取当前元素。
SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每一个 put 必须等待一个 take 操作，否则不能继续添加元素。并且支持公平访问队列。
LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞 TransferQueue 队列。
- 相对于其他阻塞队列，多了 transfer 和 tryTransfer 方法：
  - transfer 方法：如果当前有消费者正在等待接收元素（take 或者待时间限制的 poll 方法），transfer 可以把生产者传入的元素立刻传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则将元素放在队列的 tail 节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。
  - tryTransfer 方法：用来试探生产者传入的元素能否直接传给消费者。如果没有消费者在等待，则返回 false。和上述方法的区别是该方法无论消费者是否接收，方法立即返回，而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。
LinkedBlockingDeque：链表结构的双向阻塞队列，优势在于多线程入队时，减少一半的竞争。

拒绝策略

当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和的状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。ThreadPoolExecutor 默认有四个拒绝策略：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()：默认策略，直接抛出异常 RejectedExecutionException。

java.util.concurrent.RejectedExecutionException：

当线程池 ThreadPoolExecutor 执行方法shutdown()之后，再向线程池提交任务的时候，如果配置的拒绝策略是 AbortPolicy ，这个异常就会抛出来。

当设置的任务缓存队列过小的时候，或者说，线程池里面所有的线程都在干活（线程数等于 maxPoolSize)，并且任务缓存队列也已经充满了等待的队列，这个时候，再向它提交任务，也会抛出这个异常。
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()：直接使用当前线程（一般是 main 线程）调用run()方法并且阻塞执行。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()：不处理，直接丢弃后来的任务。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()：丢弃在队列中队首的任务，并执行当前任务。

当然可以继承 RejectedExecutionHandler 来自定义拒绝策略。

线程池参数选择

CPU 密集型：线程池的大小推荐为 CPU 数量 +1。CPU 数量可以根据Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获取。

I/O 密集型：CPU 数量 * CPU 利用率 *（1 + 线程等待时间 / 线程 CPU 时间）。

混合型：将任务分为 CPU 密集型和 I/O 密集型，然后分别使用不同的线程池去处理，从而使每个线程池可以根据各自的工作负载来调整。

阻塞队列：推荐使用有界队列，有界队列有助于避免资源耗尽的情况发生。

拒绝策略：默认采用的是 AbortPolicy 拒绝策略，直接在程序中抛出 RejectedExecutionException 异常，因为是运行时异常，不强制 catch，但这种处理方式不够优雅。处理拒绝策略有以下几种比较推荐：

在程序中捕获 RejectedExecutionException 异常，在捕获异常中对任务进行处理。针对默认拒绝策略。
使用 CallerRunsPolicy 拒绝策略，该策略会将任务交给调用 execute 的线程执行（一般为主线程），此时主线程将在一段时间内不能提交任何任务，从而使工作线程处理正在执行的任务。此时提交的线程将被保存在 TCP 队列中，TCP 队列满将会影响客户端，这是一种平缓的性能降低。
自定义拒绝策略，只需要实现 RejectedExecutionHandler 接口即可。
如果任务不是特别重要，使用 DiscardPolicy 和 DiscardOldestPolicy 拒绝策略将任务丢弃也是可以的。

如果使用 Executors 的静态方法创建 ThreadPoolExecutor 对象，可以通过使用 Semaphore 对任务的执行进行限流也可以避免出现 OOM 异常。

线程池关闭

等待所有线程执行完毕后，应关闭线程池：

try {
    // 等待所有线程执行完毕当前任务
    threadPool.shutdown();

    boolean loop = true;
    do {
        // 等待所有线程执行完毕，当前任务结束
        loop = !threadPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);// 等待 2 秒
    } while (loop);

    if (!loop) {
        System.out.println("所有线程执行完毕");
    }
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTimeMillis));
}

如果只需要等待模型特定任务完成，可以参考如下方式：

Map<String, Future<?>> jobFutureMap = new HashMap<String, Future<?>>();
for (String key : noneExsitKeys) {
    ConcurrentAccessDBJob job = new ConcurrentAccessDBJob(key, userLevel, dao, service);
    Future<?> future = threadPool.submit(job);
    jobFutureMap.put(key, future);
}
for (String key : noneExsitKeys) {
    Future<?> future = jobFutureMap.get(key);
    // 调用此方法会使主线程等待子线程完成
    future.get();
    System.out.println("future.idDone()" + future.isDone());
}

示例

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TestThreadPoolExecutor {
    public static void main(String[] args) {
        long startTimeMillis = System.currentTimeMillis();

        // 构造一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 6, 3, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(3));

        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            try {
                String task = "task = " + i;
                System.out.println("创建任务并提交到线程池中：" + task);
                threadPool.execute(new ThreadPoolTask(task));
                Thread.sleep(100);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 线程池关闭
        try {
            // 等待所有线程执行完毕当前任务
            threadPool.shutdown();

            boolean loop = true;
            do {
                // 等待所有线程执行完毕，当前任务结束
                loop = !threadPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);// 等待 2 秒
            } while (loop);

            if (!loop) {
                System.out.println("所有线程执行完毕");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTimeMillis));
        }
    }
}

import java.io.Serializable;

public class ThreadPoolTask implements Runnable, Serializable {
    private String attachData;

    public ThreadPoolTask(String tasks) {
        this.attachData = tasks;
    }

    public void run() {
        try {
            System.out.println("开始执行：" + attachData + "任务，使用的线程池，线程名称："
                    + Thread.currentThread().getName() + "\r\n");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        attachData = null;
    }
}

运行结果，可以看到线程 pool-1-thread-1 到 pool-1-thread-5 循环使用：

创建任务并提交到线程池中：task = 1
开始执行：task = 1任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-1

创建任务并提交到线程池中：task = 2
开始执行：task = 2任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-2

创建任务并提交到线程池中：task = 3
开始执行：task = 3任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-3

创建任务并提交到线程池中：task = 4
开始执行：task = 4任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-4

创建任务并提交到线程池中：task = 5
开始执行：task = 5任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-5

创建任务并提交到线程池中：task = 6
开始执行：task = 6任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-1

创建任务并提交到线程池中：task = 7
开始执行：task = 7任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-2

创建任务并提交到线程池中：task = 8
开始执行：task = 8任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-3

创建任务并提交到线程池中：task = 9
开始执行：task = 9任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-4

创建任务并提交到线程池中：task = 10
开始执行：task = 10任务，使用的线程池，线程名称：pool-1-thread-5

所有线程执行完毕
耗时：1014

优雅实现

package cn.antai.xisun.influxdb.utils;

import cn.hutool.core.thread.ThreadUtil;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * 可伸缩的线程池，可根据当前任务数自动调整 corePoolSize
 * 实际场景中，有时很难估算出合理的线程数
 * 参考美团技术团队博客而做此实现，详情见：https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html
 */
public class FlexibleThreadPool {
    private static final int CORE_POOL_SIZE = 20;
    private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;
    private static final long KEEP_ALIVE_MINUTES = 3L;
    private static final int MAX_TASK_SIZE = 1000;
    private static final double THREAD_INCREASE_FACTOR = 1.5;

    // 可动态调整 coreSize 大小的线程池
    private static final ThreadPoolExecutor THREAD_POOL = new ThreadPoolExecutor(
            CORE_POOL_SIZE,
            MAX_POOL_SIZE,
            KEEP_ALIVE_MINUTES,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>(MAX_TASK_SIZE),
            ThreadUtil.newNamedThreadFactory("flexible-thread-pool-", false),
            new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

    static {
        THREAD_POOL.allowCoreThreadTimeOut(true);

        // 开启定期更新 threadPool 的 coreSize 任务
        schedule();
    }

    private static void schedule() {
        ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(runnable -> {
            Thread thread = new Thread(runnable, "AdjustFlexibleThreadPoolCoreSize");
            thread.setDaemon(true);
            return thread;
        });
        // 每 3 秒检测是否需要调整 corePoolSize
        final long period = 3L;
        scheduler.scheduleAtFixedRate(FlexibleThreadPool::adjustThreadPoolCoreSize, 1, period, TimeUnit.SECONDS);
    }

    private static void adjustThreadPoolCoreSize() {
        final int minThreads = CORE_POOL_SIZE;
        final int maxThreads = MAX_POOL_SIZE;
        final double factor = THREAD_INCREASE_FACTOR;

        final int coreSize = THREAD_POOL.getCorePoolSize();
        int size = coreSize;
        final int n = (int) (coreSize / factor);

        if (!THREAD_POOL.getQueue().isEmpty()) {
            // 任务队列中有排队任务，应适当增加 coreSize
            size = (int) (coreSize * factor);
        } else if (THREAD_POOL.getActiveCount() <= n) {
            // 线程池中活跃线程数低于 coreSize/factor 时，应适当减少 coreSize
            size = n + 3;
        } else {
            return;
        }
        // coreSize 不能低于 minThreads，也不能高于 maxThreads
        size = Math.min(Math.max(minThreads, size), maxThreads);

        // 这个判断是必须的（coreSize 不需要改变时不要调用 setCorePoolSize，否则会频繁 interrupt 因 poll 而阻塞的 thread）
        if (size != coreSize) {
            THREAD_POOL.setCorePoolSize(size);
        }
    }

    public static ThreadPoolExecutor getThreadPool() {
        return THREAD_POOL;
    }

    public static <T> Future<T> submitTask(Callable<T> task) {
        return THREAD_POOL.submit(task);
    }

    public static void submitTask(Runnable task) { 
        THREAD_POOL.submit(task);
    }
}

原文链接

https://github.com/ACatSmiling/zero-to-zero/blob/main/JavaLanguage/java-advanced.md

posted @ 2024-10-02 22:57 ACatSmiling 阅读(200) 评论(0) 编辑收藏举报

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未来像盛夏的大雨，在我们还来不及撑开伞时就扑面而来。

《Java 高级篇》七：线程和线程池

程序、进程和线程

Thread 类

线程

线程的调度策略

线程的优先级

线程的分类

线程的生命周期

线程的创建

方式一：继承 Thread 类

方式二：实现 Runnable 接口

方式一和方式二的对比

方式三：实现 Callable 接口

方式四：线程池

线程的同步

线程的安全问题

线程的同步机制

同步的范围

同步机制的特点

同步机制中的锁

同步机制一：同步代码块

同步机制二：同步方法

同步机制三：Lock 锁

synchronized 和 Lock 的对比

经典实例

线程的通信

线程的死锁问题

线程池

使用 Executors 创建线程池

newSingleThreadExecutor

newFixedThreadPool

newCachedThreadPool

使用 ThreadPoolExecutor 创建线程池

构造函数参数说明

任务执行顺序

阻塞队列

阻塞队列的应用场景

阻塞队列的方法

阻塞队列的类型

拒绝策略

线程池参数选择

线程池关闭

示例

优雅实现

原文链接

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