02-Java线程池-优快云博客

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1 Java线程

1.1 线程的状态

1.2 Daemon线程

Daemon线程是一种支持型线程，因为它主要被用作程序中后台调度以及支持性工作。这意味着，当一个Java虚拟机中不存在非Daemon线程的时候，Java虚拟机将会退出。可以通过调用Thread.setDaemon(true)将线程设置为Daemon线程。

注：Daemon线程被用作完成支持性工作，但是在Java虚拟机退出时Daemon线程中的finally块并不一定会执行，不能依靠finally块中的内容来确保执行关闭或清理资源的逻辑

1.3 理解中断

中断可以理解为线程的一个标识位属性，它表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。中断好比其他线程对该线程打了个招呼，其他线程通过调用该线程的interrupt()方法对其进行中断操作。

线程通过检查自身是否被中断来进行响应，线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否被中断，也可以调用静态方法Thread.interrupted()对当前线程的中断标识位进行复位。如果该线程已经处于终结状态，即使该线程被中断过，在调用该线程对象的isInterrupted()时依旧会返回false。

从Java的API中可以看到，许多声明抛出InterruptedException的方法（例如Thread.sleep(longmillis)方法）这些方法在抛出InterruptedException之前，Java虚拟机会先将该线程的中断标识位清除，然后抛出InterruptedException，此时调用isInterrupted()方法将会返回false。

1.4 线程间通信

1.4.1 volatile和synchronized

关键字volatile可以用来修饰字段（成员变量），就是告知程序任何对该变量的访问均需要从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问的可见性。

关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。

1.4.2 等待/通知机制

等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()和notify/notifyAll()的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。

注意细节：

使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的等待队列。
notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。
从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。

从上述细节中可以看到，等待/通知机制依托于同步机制，其目的就是确保等待线程从wait()方法返回时能够感知到通知线程对变量做出的修改。

WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行。

等待/通知机制的经典范式

等待方：

synchronized(对象){
    while(条件不满足){
        对象.wait();
    }
    对应的处理逻辑
}

通知方：

synchronized(对象){
    改变条件;
    对象.notifyAll();
}

1.4.3 管道输入/输出流

管道输入/输出流和普通的文件输入/输出流或者网络输入/输出流不同之处在于，它主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。

管道输入/输出流主要包括了如下4种具体实现：PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedReader和PipedWriter，前两种面向字节，而后两种面向字符。

public class Piped {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        PipedWriter out = new PipedWriter();
        PipedReader in = new PipedReader();
        //将输出流和输入流进行连接，否则在使用时会抛出IOException
        out.connect(in);
        Thread printThread = new Thread(new Print(in), "PrintThread");
        printThread.start();
        int receive = 0;
        try {
            while ((receive = System.in.read()) != -1){
                out.write(receive);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            out.close();
        }
    }

    static class Print implements Runnable {
        private PipedReader in;

        public Print(PipedReader in) {
            this.in = in;
        }

        @Override
        public void run() {
            int receive = 0;

            try {
                while ((receive = in.read()) != -1) {
                    System.out.print((char) receive);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

对于Piped类型的流，必须先要进行绑定，也就是调用connect()方法，如果没有将输入/输出流绑定起来，对于该流的访问将会抛出异常。

1.4.4Thread.join( )

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。线程Thread除了提供join()方法之外，还提供了join(long millis)和join(longmillis,int nanos)两个具备超时特性的方法。这两个超时方法表示，如果线程thread在给定的超时时间里没有终止，那么将会从该超时方法中返回。

1.4.5 ThreadLocal

史上最全ThreadLocal详解

1.5 Thread.start( )启动原理

1.5.1 JVM启动线程

以上，就是一个线程启动的整体过程分析，会涉及到如下知识点：

线程的启动会涉及到本地方法(JNI)的调用，即那部分C++编写的代码。
JVM的实现中会有不同操作系统对线程的统一处理，如：Win，Linux，Unix
线程的启动会设计到线程的生命周期状态(RUNNABLE)，以及唤醒操作，所以最终会有回调操作。也就是调用我们的run( )方法。

/**
     * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
     * calls the <code>run</code> method of this thread.
     */
    public synchronized void start() {
        /**
         * This method is not invoked for the main method thread or "system"
         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
         * to this method in the future may have to also be added to the VM.
         *
         * A zero status value corresponds to state "NEW".
         */
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        /* Notify the group that this thread is about to be started
         * so that it can be added to the group's list of threads
         * and the group's unstarted count can be decremented. */
        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
            }
        }
    }

线程启动方法start()，由JVM调用此线程的run()方法，使线程开始执行。其实这就一个JVM的回调过程。
另外start()是要给synchronized方法，但为了避免多次调用，在方法中会由线程状态判断。threadStatus != 0
group.add(this)是把当前线程加入到线程组，ThreadGroup
start0()是一个本地方法，通过JNI方式调用执行。这才是启动线程的核心步骤。

start0()本地方法

从定义中可以看到，start0()方法会执行&JVM_StartThread方法，最终由JVM层面启动线程。

1.5.2 JVM创建线程

JVM_StartThread

JavaThread

ThreadFunction entry_point就是上面的thread_entry方法
size_t stack_sz表示进程中已有的线程个数
这两个参数，都会传递给os::create_thread方法，用于创建线程使用

os::create_thread

java_start

1.5.3 JVM启动线程

Thread::start

os::start_thread(thread)

pd_start_thread(thread)

1.5.4 JVM线程回调

thread->run()[JavaThread::run()]

thread_main_inner

1.5.5 总结

线程的启动，基本核心过程包括：Java创建线程和启动，调用本地方法start0()，JVM中JVM_StartThread的创建和启动，设置线程状态等待被唤醒，根据不同的OS启动线程并唤醒，最后调用run()方法启动Java线程。

2 Java线程池

2.1 线程池实现原理

当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

2.2 线程池状态

Java线程池的5种状态

2.3 线程池的使用

2.3.1 线程池的创建

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,  //核心线程数
                          int maximumPoolSize, //线程池能够容纳同时执行的最大线程数
                          long keepAliveTime,  //线程池中的线程空闲时间，超时了没有人调用就会释放
                          TimeUnit unit, //超时单位
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue, //阻塞队列
                          ThreadFactory threadFactory, //线程工厂 创建线程的 一般不用动
                          RejectedExecutionHandler handler //拒绝策略
                         ) {
    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;
}

阻塞队列

ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

拒绝策略

AbortPolicy：直接抛出异常。
DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。

2.3.2 向线程池提交任务

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。execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。
```
threadsPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
    }
});
```
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。
```
Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
    try {
        Object s = future.get();
    } catch (InterruptedException e) {
        // 处理中断异常
    } catch (ExecutionException e) {
        // 处理无法执行任务异常
    } finally {
        // 关闭线程池
    executor.shutdown();
	}
```

3 Executor框架

Exectuor框架

任务：包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口。
任务的执行。包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口(ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor)。
异步计算的结果。包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。