深入理解 Java 多线程核心知识

多线程相对于其他 Java 知识点来讲,有一定的学习门槛,并且了解起来比较费劲。在平时工作中如若使用不当会出现数据错乱、执行效率低(还不如单线程去运行)或者死锁程序挂掉等等问题,所以掌握了解多线程至关重要。

概念梳理

本节我将带大家了解多线程中几大基础概念。

并发与并行

并行,表示两个线程同时做事情。

并发,表示一会做这个事情,一会做另一个事情,存在着调度。单核 CPU 不可能存在并行(微观上)。

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。但是每一次,只能有一个线程使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源,就必须等待。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源,那么其它所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待,等待会导致线程挂起。这种情况就是阻塞。

此时,如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。阻塞是指线程在操作系统层面被挂起。阻塞一般性能不好,需大约8万个时钟周期来做调度。

非阻塞则允许多个线程同时进入临界区。

线程的生命周期

在线程的生命周期中,它要经历创建、可运行、不可运行几种状态。

创建状态

当用 new 操作符创建一个新的线程对象时,该线程处于创建状态。

处于创建状态的线程只是一个空的线程对象,系统不为它分配资源。

可运行状态

执行线程的 start() 方法将为线程分配必须的系统资源,安排其运行,并调用线程体——run()方法,这样就使得该线程处于可运行状态(Runnable)。

这一状态并不是运行中状态(Running),因为线程也许实际上并未真正运行。

不可运行状态

线程的优先级

线程优先级及设置

线程的优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程的调度,优先级高的线程将优先执行。一个线程的优先级设置遵从以下原则:

  • 线程创建时,子继承父的优先级;
  • 线程创建后,可通过调用 setPriority() 方法改变优先级;
  • 线程的优先级是1-10之间的正整数。

线程的调度策略

单线程创建方式

为什么要用线程池

通过上面的介绍,完全可以开发一个多线程的程序,为什么还要引入线程池呢。主要是因为上述单线程方式存在以下几个问题:

大致总结了上述的几个原因,所以可以得出一个结论就是在平时工作中,如果要开发多线程程序,尽量要使用线程池的方式来创建和管理线程。

通过线程池创建线程从调用 API 角度来说分为两种,一种是原生的线程池,另外该一种是通过 Java 提供的并发包来创建,后者比较简单,后者其实是对原生的线程池创建方式做了一次简化包装,让调用者使用起来更方便,但道理都是一样的。所以搞明白原生线程池的原理是非常重要的。

ThreadPoolExecutor

通过 ThreadPoolExecutor 创建线程池,API 如下所示:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue); 

先来解释下其中的参数含义(如果看的比较模糊可以大致有个印象,后面的图是关键)。

  • corePoolSize
  • 核心池的大小。

在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法,从这两个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建 corePoolSize 个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到 corePoolSize 后,就会把到达的任务放到缓存队列当中。

  • maximumPoolSize

线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程。

  • keepAliveTime

表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时,keepAliveTime 才会起作用,直到线程池中的线程数不大于 corePoolSize,即当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时,如果一个线程空闲的时间达到 keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过 corePoolSize。

但是如果调用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法,在线程池中的线程数不大于 corePoolSize 时,keepAliveTime 参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0。

  • unit

参数 keepAliveTime 的时间单位。

上面这些参数是如何配合工作的呢?请看下图:

注意图上面的序号。

简单总结下线程池之间的参数协作分为以下几步:

  1. 线程优先向 CorePool 中提交;
  2. 在 Corepool 满了之后,线程被提交到任务队列,等待线程池空闲;
  3. 在任务队列满了之后 corePool 还没有空闲,那么任务将被提交到 maxPool 中,如果 MaxPool 满了之后执行 task 拒绝策略。

流程图如下:

以上就是原生线程池创建的核心原理。除了原生线程池之外并发包还提供了简单的创建方式,上面也说了它们是对原生线程池的一种包装,可以让开发者简单快捷的创建所需要的线程池。

Executors

newSingleThreadExecutor

创建一个线程的线程池,在这个线程池中始终只有一个线程存在。如果线程池中的线程因为异常问题退出,那么会有一个新的线程来替代它。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。

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最大值就会保持不变,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。

newCachedThreadPool

可根据实际情况,调整线程数量的线程池,线程池中的线程数量不确定,如果有空闲线程会优先选择空闲线程,如果没有空闲线程并且此时有任务提交会创建新的线程。在正常开发中并不推荐这个线程池,因为在极端情况下,会因为 newCachedThreadPool 创建过多线程而耗尽 CPU 和内存资源。

newScheduledThreadPool

此线程池可以指定固定数量的线程来周期性的去执行。比如通过 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 来指定周期时间。

PS:另外在写定时任务时(如果不用 Quartz 框架),最好采用这种线程池来做,因为它可以保证里面始终是存在活的线程的。

推荐使用 ThreadPoolExecutor 方式

在阿里的 Java 开发手册时有一条是不推荐使用 Executors 去创建,而是推荐去使用 ThreadPoolExecutor 来创建线程池。

这样做的目的主要原因是:使用 Executors 创建线程池不会传入核心参数,而是采用的默认值,这样的话我们往往会忽略掉里面参数的含义,如果业务场景要求比较苛刻的话,存在资源耗尽的风险;另外采用 ThreadPoolExecutor 的方式可以让我们更加清楚地了解线程池的运行规则,不管是面试还是对技术成长都有莫大的好处。

改了变量,其他线程可以立即知道。保证可见性的方法有以下几种:

  • volatile

加入 volatile 关键字的变量在进行汇编时会多出一个 lock 前缀指令,这个前缀指令相当于一个内存屏障,内存屏障可以保证内存操作的顺序。当声明为 volatile 的变量进行写操作时,那么这个变量需要将数据写到主内存中。

由于处理器会实现缓存一致性协议,所以写到主内存后会导致其他处理器的缓存无效,也就是线程工作内存无效,需要从主内存中重新刷新数据。

希望本文对你有帮助,求帮转,谢谢

原文发布于微信公众号 - IT技术精选文摘(ITHK01)

原文发表时间:2018-04-19

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