（Java并发编程——JUC）带你了解共享模型之 享元和不可变 模型并初步带你了解并发工具 线程池Pool，文章内还有饥饿问题、设计模式之工作线程的解决于实现

1.共享模型之不可变

1.1 日期转换的问题

存在线程安全问题

SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(()->{
        try {
            log.info("{}", sdf.parse("2024-12-1"));
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
}
///
java.lang.NumberFormatException: multiple points
	at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1890)
	at sun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110)
	at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:538)
	at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169)
	at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089)
	at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
	at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
	at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
	at com.renex.c8.test6.lambda$main$0(test6.java:16)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:750)

• 更换使用DateTimeFormatter类，解决线程安全问题

DateTimeFormatter stf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(()->{
        TemporalAccessor parse = stf.parse("2020-12-31 23:59:59");
        log.info("{}",parse);
    }).start();
}

[Thread-0] INFO test6 - {},ISO resolved to 2020-12-31T23:59:59
[Thread-7] INFO test6 - {},ISO resolved to 2020-12-31T23:59:59
[Thread-5] INFO test6 - {},ISO resolved to 2020-12-31T23:59:59
[Thread-2] INFO test6 - {},ISO resolved to 2020-12-31T23:59:59
[Thread-9] INFO test6 - {},ISO resolved to 2020-12-31T23:59:59

分析DateTimeFormatter类

public final class DateTimeFormatter {

    /**
     * The printer and/or parser to use, not null.
     */
    private final CompositePrinterParser printerParser;
    /**
     * The locale to use for formatting, not null.
     */
    private final Locale locale;
    //....

我们能够看到这个类中大多都是使用final进行修饰的，这保证了唯一性

1.2 不可变设计

众所周知，String类是不可变的，以它为例

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

1.2.1 final的使用

发现该类，类中的所有属性都是final的

• 属性用final修饰保证了改属性是只读的，不能修改
• 类用final修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性

1.2.2 保护性拷贝

public String substring(int beginIndex) {
   if (beginIndex < 0) {
       throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
   }
   int subLen = value.length - beginIndex;
   if (subLen < 0) {
       throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
   }
   return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

以substring为例，它们这种方法是如何做到线程安全的呢？

• 可以发现，内部都是调用String的构造方法创建了一个新的字符串，再进入这个构造看看，是否对final char[] value做出了修改

public String(char value[], int offset, int count) {
    if (offset < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
    }
    if (count <= 0) {
        if (count < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
        }
        if (offset <= value.length) {
            this.value = "".value;
            return;
        }
    }
    // Note: offset or count might be near -1>>>1.
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

结果发现也没有，构造新字符串对象时，会产生新的char[] value，对内容进行复制。这种通过创建副本对象来避免共享的手段称之为【保护性拷贝】

2. 共享模型之享元

享元模式(FlyWeight)，属于结构型设计模式，主要解决实例化大量相同的对象，从而导致可能的内存泄漏的问题。

为了解决这个问题，享元模式提出的解决办法是将相同的对象保存在内存中，且仅保存一个对象，因此该对象应该是不可被修改的，当需要获取该对象实例时，直接从内存中读取即可，从而避免了相同对象的重复创建。

定义：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。当需要重用数量优先的同一类对象时，可以使用该设计模式

2.1 体现

2.1.1 包装类

在JDK中Boolean、Byte、Integer、Long、Character等包装类提供了valueOf()方法，例如Long的valueOf会缓存-128~127之间的Long对象，在这个范围之间会重用对象，大于这个范围，才会新建Long对象

public static Long valueOf(long l) {
    final int offset = 128;
    if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
        return LongCache.cache[(int)l + offset];
    }
    return new Long(l);
}

Byte、Short、Long缓存的范围都是-128~127

Character缓存的范围是0~127

Integer的默认范围是-128~127，最小值不能变，但最大值可以通过调整JVM参数来改变

Boolean缓存了 TRUE和FALSE

2.1.2 String串池

2.1.3 BigDeciaml.BigInteger

2.2 final原理

2.2.1 设置final变量的原理

public class TestFinal{
    final int a = 20;
}

字节码：

Classfile /E:/TestFinal.class
  Last modified 2024年12月8日; size 257 bytes
  MD5 checksum e29e78101c9b3e7772eec3fdaf7e9530
  Compiled from "TestFinal.java"
public class TestFinal
  minor version: 0
  major version: 55
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #3                          // TestFinal
  super_class: #4                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 1, methods: 1, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#16         // TestFinal.a:I
   #3 = Class              #17            // TestFinal
   #4 = Class              #18            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               a
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               ConstantValue
   #8 = Integer            20
   #9 = Utf8               <init>
  #10 = Utf8               ()V
  #11 = Utf8               Code
  #12 = Utf8               LineNumberTable
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               TestFinal.java
  #15 = NameAndType        #9:#10         // "<init>":()V
  #16 = NameAndType        #5:#6          // a:I
  #17 = Utf8               TestFinal
  #18 = Utf8               java/lang/Object
{
  final int a;
    descriptor: I
    flags: (0x0010) ACC_FINAL
    ConstantValue: int 20

  public TestFinal();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: bipush        20
         7: putfield      #2                  // Field a:I
    	// ------------------写屏障
        10: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
        line 2: 4
}
SourceFile: "TestFinal.java"

发现final变量的赋值也会用过putfield指令来完成，同样在这条指令之后也会加入写屏障，保证在其他线程读到它的值时不会出现为0的情况

2.2.2 读final变量的值

实际上，在字节码中，会将final变量的值复制到方法区域的栈中，拿着这个赋值的值进行计算

2.3 无状态

在web阶段学习时，设计Servlet时为了保证其线程安全，都会有这样的建议，不要为Servlet设置成员变量，这种没有任何成员变量的类是线程安全的

因为成员变量保存的数据也可以称为状态信息，因此没有成员变量就称之为【无状态】

​

3. 自定义线程池

package com.renex.c8;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import lombok.val;

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;
import java.util.HashSet;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "TestPool")
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadPool threadPool = new ThreadPool(1, 1000, TimeUnit.MICROSECONDS, 1,(queue,task)->{

            // 1. 一直等待
//            queue.put(task);// 死等策略
            // 2. 带超时等待
//            queue.offer(task,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
            // 3. 放弃任务执行
//            log.error("放弃：{}",task);// 当出现问题后，会一直持续运行，等待接收信息
            // 4. 让调用者抛出异常
//            throw new RuntimeException("任务执行失败"+task); // 当出现问题后，会结束进程
            // 5. 让调用者自己执行任务
            task.run();

        });
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(()->{
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                log.info("{}",j);
            });
        }
    }
}

/**
 * 拒绝策略
 * - 将拒绝的各种策略抽象出来，让调用者进行选择
 */
@FunctionalInterface
interface RejectPolicy<T>{
    void reject(BlockingQueue<T> queue,T task) throws InterruptedException;
}

@Slf4j(topic = "ThreadPool")
class ThreadPool{
    // 任务队列
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;
    // 线程集合
    private HashSet<Runnable> works= new HashSet<>();
    // 核心线程数
    private int coreSize;
    // 获取任务的超时时间数
    private long timeout;
    private TimeUnit timeUnit;
    private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;

    /**
     * 初始化线程池
     * @param coreSize
     * @param timeout
     * @param timeUnit
     * @param queueCapcity
     */
    public ThreadPool(int coreSize, int timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapcity,RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) {
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapcity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }

    // 执行任务
    public void execute(Runnable task) throws InterruptedException {
        // 当任务数没有超过coreSize时，直接交给worker对象执行
        // 如果任务数超过coreSize时，加入任务队列暂存
        synchronized (works){
            if (works.size() < coreSize){
                Worker worker = new Worker(task);
                log.info("新增Worker：{},{}",worker,task);
                works.add(worker);
                worker.start();
            }else {
                log.info("加入任务队列,{}",task);
                taskQueue.put(task);
                // 1. 一直等待
                // 2. 带超时等待
                // 3. 放弃任务执行
                // 4. 让调用者抛出异常
                // 5. 让调用者自己执行任务
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy,task);
            }
        }
    }
    class Worker extends Thread{
        private Runnable task;

        public Worker(Runnable task) {
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            // 执行任务
            // 1. 当task不为空，执行任务
            // 2. 当task执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行

            // 使用take()方法，就是阻塞状态
//            while (task!=null || (task = taskQueue.take()) != null){
            // 使用poll()方法，即可设置超时时间
            while (task!=null || (task = taskQueue.poll(1000,TimeUnit.MICROSECONDS)) != null){
                try
                {
                    log.info("正在执行...{}",task);
                    task.run();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    task = null;
                }
            }
            synchronized (works){
                log.info("worker被移除：{}",this);
                works.remove(this);
            }
        }
    }

}


/**
 * 阻塞队列
 * @param <T>
 */
@Slf4j(topic = "BlockingQueue")
class BlockingQueue<T> {
    // 1. 任务队列
    private Deque<T> deque = new ArrayDeque<>();
    // 2. 锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 3. 生产者条件变量
    private Condition fulWaitSet = lock.newCondition();
    // 4. 消费者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();
    // 5. 容量
    private int capcity;

    public BlockingQueue(int queueCapcity) {
        this.capcity = queueCapcity;
    }

    /**
     * 超时阻塞获取
     * @return
     */
    public T poll(long timeout, TimeUnit unit){
        lock.lock();
        try {
            // 将超时时间转换成 纳秒
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            while (deque.isEmpty()){
                try {
                    // 返回的是剩余的时间
                    if (nanos<=0){
                        return null;
                    }
                    nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            T t = deque.removeFirst();
            return t;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 阻塞获取
    public T take(){
        lock.lock();
        try {
            while (deque.isEmpty()){
                try {
                    emptyWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            T t = deque.removeFirst();
            return t;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 带超时时间队列添加
    public boolean offer(T task,long timeout,TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException {

        lock.lock();
        try {
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while (deque.size()==capcity){
                try {
                    log.info("等待加入任务队列：{}...",task);
                    if (nanos<=0){
                        return false;
                    }
                    fulWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException c) {
                    throw new RuntimeException(c);
                }
            }
            deque.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 阻塞添加
    public void put(T e) throws InterruptedException {

        lock.lock();
        try {
            while (deque.size()==capcity){
                try {
                    log.info("正在等待任务队列：{}",e);
                    fulWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException c) {
                    throw new RuntimeException(c);
                }
            }
            deque.addLast(e);
            emptyWaitSet.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 获取大小
    public int size(){
        lock.lock();
        try{
            return deque.size();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
        lock.lock();
        try {
            // 判断队列是否溢出
            if (deque.size() == capcity){
                // 使用拒绝策略，来针对不同场景使用不同的策略
                rejectPolicy.reject(this,task);
            }else {
                // 没有溢出
                log.info("加入任务队列：{}",task);
                deque.addLast(task);
                emptyWaitSet.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4. JDK的线程池策略

4.1 ThreadPoolExecutor

4.1.1 线程池状态

ThreadPoolExecutor使用int的高3位来表示线程池状态，低29位表示线程数量

状态名	高3位	接收新任务	处理阻塞队列任务	说明
RUNNING	111	Y	Y
SHUTDOWN	000	N	Y	不会接收新任务，但会处理阻塞队列剩余任务
STOP	001	N	N	会终端真正该执行的任务，并抛弃阻塞队列任务
TIDYING	010	-	-	任务全部执行完毕，活动线程为0即将进入中介
TERMINATED	011	-	-	终结状态

这些信息存储在一个原子变量ctl中，目的是将线程吃状态与线程个数合二为一，这样就可以用一次cas原子操作进行赋值

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// c为旧值，ctlOf 返回结果为新值 
ctl.compareAndSet(c,ctlOf(targetState,workerCountOf(c)));

// rs为高3位代表线程池状态，wc为低29位代表线程个数，ctl是合并它们
private static int ctlOf(int rs,int wc){return rs | wc;}

4.1.2 构造方法

/**
* Creates a new ThreadPoolExecutor with the given initial parameters and default thread factory.
*/
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         threadFactory, defaultHandler,handler);
}

• corePoolSize 核心线程数目（最多保留的线程数）
• maximumPoolSize 最大线程数目
• keepAliveTime 生存时间-针对救急线程
• unit 时间单位-针对救急线程
• workQueue 阻塞队列
• threadFactory 线程工厂-可以为线程创建时起名称
• handler 拒绝策略

工作方式：

• 线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务

• 当线程数达到corePoolSize并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue队列排队，直到有空闲的线程

• 如果队列选择了有界队列，而任务超过了队列大小时，会创建 maximumPoolSize - corePoolSize 数目的应急线程来救急。

  而应急当然就是救急用的，所以当高峰过去而没有任务做，就会被结束，由keepAliveTime 和 unit 来控制。

• 如果线程达到maximumPoolSize仍然有新任务，这时会执行拒绝策略。

  拒绝策略JDK提供了4种实现，其他著名框架也提供了实现

  • AbotPolicy 让调用者抛出 RejectExecutionException 异常（默认策略）
  • CallerRunsPolicy 让调用者运行任务
  • DiscardPolicy 放弃本次任务
  • DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之
  • Dubbo 的实现，在抛出 RejectExecutionException 异常之前会记录日志，并dump线程栈信息，方便定位问题
  • Netty 的实现，是创建一个新线程来执行任务
  • ActiveMQ 的实现，带超时等待（60s）尝试放入队列，类似我们之前的拒绝策略
  • PinPoint的实现，它使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中每种拒绝策略

• 当高峰过去后，超过corePoolSize的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由 keepAliveTime 和 unit 来控制

根据这个构造方法，JDK Executors类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池

4.1.3 newFixedThreadPool

• 固定大小线程池

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

特点

• 核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需超时时间
• 阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务

适用于任务量已知，相对耗时的任务

演示

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2,new ThreadFactory() {
        private final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

        // 重写该方法，可以更改线程名称
        @Override
        public Thread newThread(Runnable r) {
            return new Thread(r,"pool_t"+atomicInteger.getAndIncrement());
        }


    });
    pool.execute(()->{
        log.info("1");
    });
    pool.execute(()->{
        log.info("2");
    });
    pool.execute(()->{
        log.info("3");
    });
    pool.shutdown();
}

4.1.4 newCachedThreadPool

• 带缓冲线程池

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

特点

• 核心线程数是0，最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是60s，意味着
  • 全部都是救急线程（60s后可以回收）
  • 救急线程可以无限创建
• 队列采用了SynchronousQueue实现，特点是：它没有容量，没有线程来取是放不进去的。

{
    SynchronousQueue<Integer> que = new SynchronousQueue<>();
    new Thread(()->{
        try {
            log.info("putting {}",1);
            que.put(1);
            log.info("{} putted...",1);

            log.info("putting {}",2);
            que.put(2);
            log.info("{} putted...",2);


        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t1").start();

    Thread.sleep(1);

    new Thread(()->{
        try {
            log.info("taking {}",1);
            que.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t2").start();

    new Thread(()->{
        try {
            log.info("taking {}",2);
            que.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t3").start();

}
//
[t1] INFO test7 - putting 1
[t2] INFO test7 - taking 1
[t1] INFO test7 - 1 putted...
[t3] INFO test7 - taking 2
[t1] INFO test7 - putting 2
[t1] INFO test7 - 2 putted...

整个线程池表现为：线程会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲1分钟后释放线程

适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

4.1.5 newSingleThreadExecutor

• 单线程线程池

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

使用场景：

• 希望多个任务排队执行

• 线程数固定为1，任务数多于1时，会放入无界队列排队。

  任务执行完毕后，这个线程也不会得到释放

区别：

• 自己创建一个但线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止，那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一个线程，保证池的正常工作
• Executors.newSingleThreadExceutor() 线程个数始终为1，不能修改
  • FinalizableDelegateExecutorService应用的是装饰器模式，只对外暴露了ExecutorService接口，因此不能调用ThreadPoolExecutor中特有的方法
• Executors.newFixedThreadPool(1)初始时为1，以后还可以修改
  • 对外暴露的是ThreadPoolExecutor对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改

4.1.6 提交任务

// 执行任务
void execute(Runnable command);

// 提交任务task，用返回值Future获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

// 提交tasks中所有任务
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

// 提交tasks中所有任务，带超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 提交tasks中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其他任务取消
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException,ExecutionException;

// 提交tasks中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其他任务取消，带超时时间
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException,ExecutionException;

• submit()演示代码：

  ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
  Future<String> future = pool.submit(new Callable<String>() {
  
      @Override
      public String call() throws Exception {
          log.info("running...");
          Thread.sleep(1000);
          return "ok";
      }
  });
  
  log.info("{}",future.get());
  

• invokeAll()演示代码：

  ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
  List<Future<String>> futures = pool.invokeAll(Arrays.asList(
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_1");
          Thread.sleep(1000);
          return "1";
      },
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_2");
          Thread.sleep(1000);
          return "2";
      },
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_3");
          Thread.sleep(1000);
          return "3";
      }
  ));
  

• invokeAny()演示代码：

  ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
  String futures = pool.invokeAny(Arrays.asList(
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_1");
          Thread.sleep(1000);
          return "1";
      },
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_2");
          Thread.sleep(1000);
          return "2";
      },
      (Callable<String>) () -> {
          log.info("hello_3");
          Thread.sleep(1000);
          return "3";
      }
  ));
  log.info("{}", futures);
  

4.1.7 关闭线程池

4.1.7.1 shutdown()

/**
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
void shutdown();

public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        // 修改线程池状态
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        // 仅会打断空闲线程
        interruptIdleWorkers();
        onShutdown(); // 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    // 尝试终结（没有运行的线程可以立刻终结，如果还有运行的线程也不会等）
    tryTerminate();
}

再深入onShutdown()方法

void onShutdown() {
    BlockingQueue<Runnable> q = super.getQueue();
    boolean keepDelayed =
        getExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy();
    boolean keepPeriodic =
        getContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy();
    if (!keepDelayed && !keepPeriodic) {
        for (Object e : q.toArray())
            if (e instanceof RunnableScheduledFuture<?>)
                ((RunnableScheduledFuture<?>) e).cancel(false);
        q.clear();
    }
    else {
        // Traverse snapshot to avoid iterator exceptions
        for (Object e : q.toArray()) {
            if (e instanceof RunnableScheduledFuture) {
                RunnableScheduledFuture<?> t =
                    (RunnableScheduledFuture<?>)e;
                if ((t.isPeriodic() ? !keepPeriodic : !keepDelayed) ||
                    t.isCancelled()) { // also remove if already cancelled
                    if (q.remove(t))
                        t.cancel(false);
                }
            }
        }
    }
    tryTerminate();
}

4.1.7.2 shutdownNow()

/**
线程池状态变为STOP
- 不会接收新任务
- 会将队列中的任务返回
- 并用interrupt的方式中断正在执行的任务
*/
List<Runnable> shutdownNow();

public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
		// 修改线程池状态
        advanceRunState(STOP);
        // 打断所有线程
        interruptWorkers();
        // 获取队列中剩余任务
        tasks = drainQueue();
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    // 尝试终结
    tryTerminate();
    return tasks;
}

4.1.7.3 其他方法

// 不在RUNNING状态的线程池，此方法就返回true
boolean isShutdown();
// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();
// 调用shutdown后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池TERMINATED后做些事情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException;

4.2 设计模式之 工作线程

4.2.1 定义

让有限的工作线程（Worker Thread）来轮流异步处理无限多的任务

也可以将其归类为分工模式，它的典型实现就是线程池，也体现了经典设计模式中的享元模式

享元模式(FlyWeight)，属于结构型设计模式，主要解决实例化大量相同的对象，从而导致可能的内存泄漏的问题。

为了解决这个问题，享元模式提出的解决办法是将相同的对象保存在内存中，且仅保存一个对象，因此该对象应该是不可被修改的，当需要获取该对象实例时，直接从内存中读取即可，从而避免了相同对象的重复创建。

定义：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

例子：一个线程轮流处理多个任务，如果每个任务都有对应的线程来进行处理，那么成本就太高了，

不同的任务类型应该使用不同的线程池，这样能够彼岸饥饿，并能提升效率

或许我们能这样想，让合适的线程做与它更合适的任务，就好比岗位中职位的区分，例如一个餐馆中的工人，可以分为服务员和厨师，这两种职业分别就对应着不同的线程，他们所干的活就对应着不同的任务类型。

4.2.2 饥饿

固定大小线程池会有饥饿现象

• 两个工具人是同一个线程池中的两个线程
• 他们要做的事情是：为客人点餐和后厨做菜，这是两个阶段的工作
  • 客人点餐：必须先点完餐，等菜做好，上菜，在此期间处理点餐的工人必须等待
  • 后厨做菜：直接做
• 例子：工人A处理了点餐任务，接下来它要等着工人B把才做好，然后上菜，他俩也配合的很好
  • 但现在同时来了两个客人，这时候工人A和工人B都去处理点餐了，没人做菜，产生死锁

——————————————产生死锁（饥饿）现象——————————

static List<String> list = Arrays.asList("三鲜","锅包肉","糖醋里脊","油爆大虾");
static Random random= new Random();
static String cooking() {return list.get(random.nextInt(list.size()));};
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    pool.execute(
        ()->{
            log.info("处理点餐...");
            Future<String> future = pool.submit(() -> {
                log.info("做菜");
                return cooking();
            });
            try {
                log.info("上菜：{}",future.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (ExecutionException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    );

    pool.execute(
        ()->{
            log.info("处理点餐...");
            Future<String> future = pool.submit(() -> {
                log.info("做菜");
                return cooking();
            });
            try {
                log.info("上菜：{}",future.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (ExecutionException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    );
}

饥饿现象，是否可以通过增加线程数量来解决呢？

• 可以，但治标不治本

如果再往后又出现了多个任务，难不成每次都需要扩充线程数量来解决吗？

根本解决方式是用不同的线程池来进行处理

static List<String> list = Arrays.asList("三鲜","锅包肉","糖醋里脊","油爆大虾");
static Random random= new Random();
static String cooking() {return list.get(random.nextInt(list.size()));};
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService pool1 = Executors.newFixedThreadPool(1);
    // 多用一个线程池
    ExecutorService pool2 = Executors.newFixedThreadPool(1);

    /**
         * pool1 - 线程池1做任务的分发
         * pool2 - 线程池2做任务的执行
         */
    pool1.execute(
        ()->{
            log.info("处理点餐...");
            Future<String> future = pool2.submit(() -> {
                log.info("做菜");
                return cooking();
            });
            try {
                log.info("上菜：{}",future.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (ExecutionException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    );

    pool1.execute(
        ()->{
            log.info("处理点餐...");
            Future<String> future = pool2.submit(() -> {
                log.info("做菜");
                return cooking();
            });
            try {
                log.info("上菜：{}",future.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (ExecutionException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    );
}

一个线程池做任务分发

另外的线程池就做任务的执行

线程池之间运行的流程不同，处理的方式不同，所占的内存也不同

pool2只需要关注池中有无需要处理的任务，而无需操心其他事务

4.2.3 创建多少线程池合适

• 过小会导致程序不能充分的利用系统资源、容易导致饥饿
• 过大会导致更多的线程上下文切换，占用更多的内存

4.2.3.1 CPU密集型运算

通常采用 cpu核心数+1 能够实现最优的CPU利用率

+1是保证当线程由于页缺失故障（操作系统）或其他原因导致暂停时，额外的这个线程就能顶上去，保证CPU时钟周期不被浪费

4.2.3.2 I/O 密集运算

CPU不总是处于繁忙状态，例如，当你执行业务计算时，这时候会使用CPU资源

但当你执行I/O操作时、远程RPC调用时，包括进行数据库操作时，这时候CPU就闲下来了，你可以利用多线程提高它的利用率

经验公式如下：

线程数=CPU核心数*期望CPU利用率*总时间（CPU计算时间+等待时间）/CPU计算时间

4.3 任务调度线程池

在【任务调度线程池】功能加入之前，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能

当需要在一个时间周期内重复执行某个任务时使用

Timer的优点在于

• 简单
• 易用

但由于所有的任务都是由一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务

Timer timer = new Timer();
TimerTask timerTask = new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        log.info("task 1");
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
};

TimerTask timerTask2 = new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        log.info("task 2");
    }
};

log.info("start...");
timer.schedule(timerTask, 1000);
timer.schedule(timerTask2, 1000);
/
[main] INFO com.renex.c9.test1 - start...
[Timer-0] INFO com.renex.c9.test1 - task 1
[Timer-0] INFO com.renex.c9.test1 - task 2

可以看到task2本应该先执行，但是由于task1的延迟，导致task的执行时间被延后

并且，当出现异常后，会停止执行任务！

使用ScheduledThreadPoolExecutor延时执行

ScheduledExecutorService po = Executors.newScheduledThreadPool(2);
po.schedule(()->{
    log.info("tast1");
    try {
        Thread.sleep(200);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
},1, TimeUnit.SECONDS);

po.schedule(()->{
    log.info("tast2");
},1, TimeUnit.SECONDS);

[pool-1-thread-2] INFO com.renex.c9.test1 - tast2
[pool-1-thread-1] INFO com.renex.c9.test1 - tast1

当线程池线程数量大于任务数量，那么就会遵守延时效应

而如果任务数量打过线程数量，就还是串行执行

而当出现异常后，并不会任务的执行流程并不会被停止

4.3.1 周期性执行

指定一个间隔时间，重复执行任务

• scheduleAtFixedRate() 方法

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
log.info("start...");
pool.scheduleAtFixedRate(()->{
    log.info("running... 1");
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
//
[main] INFO com.renex.c9.test1 - start...
[pool-1-thread-1] INFO com.renex.c9.test1 - running... 1
[pool-1-thread-1] INFO com.renex.c9.test1 - running... 1
[pool-1-thread-1] INFO com.renex.c9.test1 - running... 1
[pool-1-thread-1] INFO com.renex.c9.test1 - running... 1

固定间隔时间

• scheduleWithFixedDelay() 方法

pool.scheduleWithFixedDelay(()->{
    log.info("running... 1");
}, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);

从每个周期的结束时间开始计算下一个周期的开始时间

4.3.2 线程池应用-定时任务

/**
     * 如何让每周四 18:00:00 定时执行任务
     * @param args
     */

public static void main(String[] args) {
    ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);

    long period = 1000*60*24*7;
    // 当前时间
    LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
    // 周几
    LocalDateTime time = LocalDateTime.now().withHour(18).withSecond(0).withMinute(0).withNano(0).with(DayOfWeek.THURSDAY);

    //如果当前时间> 本周周四，必须找到下周四
    if (now.compareTo(time)>0){
        time = time.plusWeeks(1);
    }
    long delay = Duration.between(now, time).toMillis();

    pool.scheduleAtFixedRate(()->{
        log.info("running...");
    },delay,period, TimeUnit.SECONDS);
}

4.4 Tomcat 线程池

Tomcat 在哪里用到了线程池呢？

• LimitLatch 用来限流，可以控制最大连接个数，类似J.U.C中的Semaphore
• Acceptor只负责【接收新的socket连接】
• Poller只负责监听socket channel是否有【可读的I/O事件】
• 一旦可读，封装一个任务对象（socketProcessor），提交给Executor线程池处理
• Exectuor线程池中的工作线程最终负责【处理请求】

能够看到，每一个线程池都负责了不同的工作，分工明确

Tomcat线程池扩展了ThreadPoolExecutor，行为稍有不同

• 如果总线程数达到maximumPoolSize
  • 这时不会立刻抛出RejectedExecutionException异常
  • 而是再次尝试将任务放入队列，如果还失败，才抛出RejectedExecutionException异常

4.5 Fork/Join

4.5.1 概念

Fork/Join是JDK1.7加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的CPU密集型运算

所谓的任务拆分，是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。

Fork/Join在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运算效率

Fork/Join默认会创建于CPU核心数大小相同的线程池

4.5.2 使用

提交给Fork/Join线程池的任务需要继承Recursivetask(有返回值)或RecursiveAction(没有返回值)

public class test3 {
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
        System.out.println(pool.invoke(new MyTask(5)));

    }
}
class MyTask extends RecursiveTask<Integer>{
    private int n;

    public MyTask(int n){
        this.n = n;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (n==1){
            log.info("join(){}",n);
            return 1;
        }

        MyTask t1 = new MyTask(n - 1);

        t1.fork();
        log.info("fork(){}+{}",n,t1);

        Integer result = t1.join();
        log.info("join(){}+{}={}",n,t1,result);
        return result;
    }
}
//
[ForkJoinPool-1-worker-2] INFO com.renex.c9.MyTask - fork()4+com.renex.c9.MyTask@713c7c65
[ForkJoinPool-1-worker-3] INFO com.renex.c9.MyTask - fork()3+com.renex.c9.MyTask@71261eae
[ForkJoinPool-1-worker-0] INFO com.renex.c9.MyTask - fork()2+com.renex.c9.MyTask@770db75a
[ForkJoinPool-1-worker-3] INFO com.renex.c9.MyTask - join()1
[ForkJoinPool-1-worker-1] INFO com.renex.c9.MyTask - fork()5+com.renex.c9.MyTask@511e0595
[ForkJoinPool-1-worker-0] INFO com.renex.c9.MyTask - join()2+com.renex.c9.MyTask@770db75a=1
[ForkJoinPool-1-worker-3] INFO com.renex.c9.MyTask - join()3+com.renex.c9.MyTask@71261eae=1
[ForkJoinPool-1-worker-2] INFO com.renex.c9.MyTask - join()4+com.renex.c9.MyTask@713c7c65=1
[ForkJoinPool-1-worker-1] INFO com.renex.c9.MyTask - join()5+com.renex.c9.MyTask@511e0595=1

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