Java多线程

本文内容主要源自廖雪峰老师java教程的多线程章节，在内容上删减了一些我觉得已经会的或者比较简单的或者有点冗余的部分，在结构上添加了一些子标题，另外在线程状态一节里附了一张图来自JavaGuide老师的GitHub。

1.原文链接如下
廖雪峰Java多线程
https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1255943750561472
2.线程状态的原图来自这篇文章
2020最新Java并发基础常见面试题总结.md
https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/multi-thread/2020%E6%9C%80%E6%96%B0Java%E5%B9%B6%E5%8F%91%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%B8%B8%E8%A7%81%E9%9D%A2%E8%AF%95%E9%A2%98%E6%80%BB%E7%BB%93.md

一.多线程基础

1.进程, 线程的概念和比较

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程。

操作系统调度的最小任务单位其实不是进程，而是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务，如何调度线程完全由操作系统决定，程序自己不能决定什么时候执行，以及执行多长时间。

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

2.Java中的进程线程

Java多线程编程的特点在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

Java程序启动的时候，实际上是启动了一个JVM进程，然后，JVM启动主线程来执行main()方法。在main()方法中，我们又可以启动其他线程。

二.创建新线程

1.继承Thread类

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

2.实现Runnable接口

1.1创建Thread实例时，传入一个Runnable实例

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

1.2用Java8引入的lambda语法进一步简写

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("start new thread!");
        });
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

3.sleep()函数

4.线程优先级

Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5

三.线程的状态

0.线程的6种状态及其切换

图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节

原图中 wait到 runnable状态的转换中，join实际上是Thread类的方法，但这里写成了Object。
转自 JavaGuide GitHub

1.Terminated

线程终止的原因有：

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

2.Waiting 和 Timed_Waiting

join()方法 和 join(long)方法

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

当main线程对线程对象t调用join()方法时，主线程将等待变量t表示的线程运行结束，即join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。

如果t线程已经结束，对实例t调用join()会立刻返回。

此外，join(long)的重载方法也可以指定一个等待时间，超过等待时间后就不再继续等待。

四.中断线程

1.interrupt()方法,

isInterrupted() 方法 与

InterruptedException异常

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程，目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态，该线程会捕获到InterruptedException；

目标线程检测到isInterrupted()为true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程；

2.running标志位 和 volatile关键字

另一个常用的中断线程的方法是设置标志位。我们通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束：

public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

注意到HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
           Main Memory
│                               │
   ┌───────┐┌───────┐┌───────┐
│  │ var A ││ var B ││ var C │  │
   └───────┘└───────┘└───────┘
│     │ ▲               │ ▲     │
 ─ ─ ─│─│─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─│─│─ ─ ─
      │ │               │ │
┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐   ┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐
      ▼ │               ▼ │
│  ┌───────┐  │   │  ┌───────┐  │
   │ var A │         │ var C │
│  └───────┘  │   │  └───────┘  │
   Thread 1          Thread 2
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘   └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true，在JVM把修改后的a回写到主内存之前，其他线程读取到的a的值仍然是true，这就造成了多线程之间共享的变量不一致。

volatile关键字的目的是告诉虚拟机：

• 每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
• 每次修改变量后，立刻回写到主内存。

volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。

如果我们去掉volatile关键字，运行上述程序，发现效果和带volatile差不多，这是因为在x86的架构下，JVM回写主内存的速度非常快，但是，换成ARM的架构，就会有显著的延迟。

通过标志位判断需要正确使用volatile关键字；

volatile关键字解决了共享变量在线程间的可见性问题。

五.守护线程(Daemon Thread)

Java程序入口就是由JVM启动main线程，main线程又可以启动其他线程。当所有线程都运行结束时，JVM退出，进程结束。

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

在守护线程中，编写代码要注意：守护线程不能持有任何需要关闭的资源，例如打开文件等，因为虚拟机退出时，守护线程没有任何机会来关闭文件，这会导致数据丢失。

小结

守护线程是为其他线程服务的线程；

所有非守护线程都执行完毕后，虚拟机退出；

守护线程不能持有需要关闭的资源（如打开文件等）。

六.线程同步

1.synchronized

Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：

synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。

但是，它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外，加锁和解锁需要消耗一定的时间，所以，synchronized会降低程序的执行效率。

如何使用synchronized：

1. 找出修改共享变量的线程代码块；
2. 选择一个共享实例作为锁；
3. 使用synchronized(lockObject) { ... }

在使用synchronized的时候，不必担心抛出异常。因为无论是否有异常，都会在synchronized结束处正确释放锁：

public void add(int m) {
    synchronized (obj) {
        if (m < 0) {
            throw new RuntimeException();
        }
        this.value += m;
    } // 无论有无异常，都会在此释放锁
}

实际上，需要同步的线程可以分成两组, 组之间不存在竞争，因此，应该使用两个不同的锁

2.不需要synchronized的操作

JVM规范定义了几种原子操作：

• 基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = m；
• 引用类型赋值，例如：List<String> list = anotherList。

小结

多线程同时读写共享变量时，会造成逻辑错误，因此需要通过synchronized同步；

同步的本质就是给指定对象加锁，加锁后才能继续执行后续代码；

注意加锁对象必须是同一个实例；

对JVM定义的单个原子操作不需要同步。

七.死锁

死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程。

Java的synchronized锁是可重入锁；

死锁产生的条件是多线程各自持有不同的锁，并互相试图获取对方已持有的锁，导致无限等待；

避免死锁的方法是多线程获取锁的顺序要一致。

八.使用wait和notify

对于上述TaskQueue，我们先改造getTask()方法，在条件不满足时，线程进入等待状态：

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        this.wait();
    }
    return queue.remove();
}

当一个线程执行到getTask()方法内部的while循环时，它必定已经获取到了this锁，此时，线程执行while条件判断，如果条件成立（队列为空），线程将执行this.wait()，进入等待状态。

这里的关键是：wait()方法必须在当前获取的锁对象上调用，这里获取的是this锁，因此调用this.wait()。

调用wait()方法后，线程进入等待状态，wait()方法不会返回，直到将来某个时刻，线程从等待状态被其他线程唤醒后，wait()方法才会返回，然后，继续执行下一条语句。

有些仔细的童鞋会指出：即使线程在getTask()内部等待，其他线程如果拿不到this锁，照样无法执行addTask()，肿么办？

这个问题的关键就在于wait()方法的执行机制非常复杂。首先，它不是一个普通的Java方法，而是定义在Object类的一个native方法，也就是由JVM的C代码实现的。其次，必须在synchronized块中才能调用wait()方法，因为wait()方法调用时，会释放线程获得的锁，wait()方法返回后，线程又会重新试图获得锁。

因此，只能在锁对象上调用wait()方法。因为在getTask()中，我们获得了this锁，因此，只能在this对象上调用wait()方法：

小结

wait和notify用于多线程协调运行：

• 在synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态；

• 必须在已获得的锁对象上调用wait()方法；

• 在synchronized内部可以调用notify()或notifyAll()唤醒其他等待线程；

• 必须在已获得的锁对象上调用notify()或notifyAll()方法；

• 已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。

九.使用ReentrantLock

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count;

    public void add(int n) {
        lock.lock();
        try {
            count += n;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock 与 synchronized 的不同

因为synchronized是Java语言层面提供的语法，所以我们不需要考虑异常，

而ReentrantLock是Java代码实现的锁，我们就必须先获取锁，然后在finally中正确释放锁。

顾名思义，ReentrantLock是可重入锁，它和synchronized一样，一个线程可以多次获取同一个锁。

ReentrantLock可以尝试获取锁：

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，线程在tryLock()失败的时候不会导致死锁。

小结

ReentrantLock可以替代synchronized进行同步；

ReentrantLock获取锁更安全；

必须先获取到锁，再进入try {...}代码块，最后使用finally保证释放锁；

可以使用tryLock()尝试获取锁。

十.使用Condition

class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：

• await()会释放当前锁，进入等待状态；
• signal()会唤醒某个等待线程；
• signalAll()会唤醒所有等待线程；
• 唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。

此外，和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来：

if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
    // 被其他线程唤醒
} else {
    // 指定时间内没有被其他线程唤醒
}

可见，使用Condition配合Lock，我们可以实现更灵活的线程同步。

小结

Condition可以替代wait和notify；

Condition对象必须从Lock对象获取。

十一.使用ReadWriteLock

1.ReentrantLock的局限

任何时刻，只允许一个线程修改，

2.一种应用场景

允许多个线程同时读，但只要有一个线程在写，其他线程就必须等待：

	读	写
读	允许	不允许
写	不允许	不允许

3.ReadWriteLock

使用ReadWriteLock可以解决这个问题，它保证：

• 只允许一个线程写入（其他线程既不能写入也不能读取）；
• 没有写入时，多个线程允许同时读（提高性能）。

创建一个ReadWriteLock实例，然后分别获取读锁和写锁：

public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

4.小结

使用ReadWriteLock可以提高读取效率：

• ReadWriteLock只允许一个线程写入；
• ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取；
• ReadWriteLock适合读多写少的场景。

十二.使用StampedLock

1.悲观锁 和 乐观锁

1.1悲观锁 读 中 不许写 ReadWriteLock 写入必须等待

1.2乐观锁 读 中 允许写 StampedLock 并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需要能检测出来，再读一遍就行

读的过程中也允许获取写锁后写入！

带来问题: 我们读的数据就可能不一致

问及解决: 需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入

2.StampedLock写入和读出加锁

public class Point {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    private double x;
    private double y;

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
        // 注意下面两行代码不是原子操作
        // 假设x,y = (100,200)
        double currentX = x;
        // 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)
        double currentY = y;
        // 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)
        // 如果有写入，读取是错误的(100,400)
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
            stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

写入

​ 和ReadWriteLock一样

读取

1. 注意到首先我们通过tryOptimisticRead()获取一个乐观读锁，并返回版本号。
2. 接着进行读取，读取完成后，我们通过validate()去验证版本号，

• 如果在读取过程中没有写入，版本号不变，验证成功，我们就可以放心地继续后续操作。

• 如果在读取过程中有写入，版本号会发生变化，验证将失败。

  ​ 在失败的时候，我们再通过获取悲观读锁再次读取。

由于写入的概率不高，程序在绝大部分情况下可以通过乐观读锁获取数据，极少数情况下使用悲观读锁获取数据。

StampedLock是不可重入锁，不能在一个线程中反复获取同一个锁。

3.if-then-update场景

StampedLock还提供了更复杂的将悲观读锁升级为写锁的功能，它主要使用在if-then-update的场景：即先读，如果读的数据满足条件，就返回，如果读的数据不满足条件，再尝试写。

小结

StampedLock提供了乐观读锁，可取代ReadWriteLock以进一步提升并发性能；

StampedLock是不可重入锁。

十三.使用Concurrent集合

1.BlockingQueue

java.util.concurrent 提供线程安全的集合

ArrayBlockingQueue

2.java.util.concurrent

interface	non-thread-safe	thread-safe
List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
Map	HashMap	ConcurrentHashMap
Set	HashSet / TreeSet	CopyOnWriteArraySet
Queue	ArrayDeque / LinkedList	ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque	ArrayDeque / LinkedList	LinkedBlockingDeque

使用这些并发集合与使用非线程安全的集合类完全相同。

3.concurrent使用

因为所有的同步和加锁的逻辑都在集合内部实现，对外部调用者来说，只需要正常按接口引用，其他代码和原来的非线程安全代码完全一样。即当我们需要多线程访问时，把：

Map<String, String> map = new HashMap<>();

改为：

Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

4.旧的线程安全集合转换器（不推荐使用）

java.util.Collections工具类还提供了一个旧的线程安全集合转换器，可以这么用：

Map unsafeMap = new HashMap();
Map threadSafeMap = Collections.synchronizedMap(unsafeMap);

但是它实际上是用一个包装类包装了非线程安全的Map，然后对所有读写方法都用synchronized加锁，这样获得的线程安全集合的性能比java.util.concurrent集合要低很多，所以不推荐使用。

小结

使用java.util.concurrent包提供的线程安全的并发集合可以大大简化多线程编程：

多线程同时读写并发集合是安全的；

尽量使用Java标准库提供的并发集合，避免自己编写同步代码。

十四.使用Atomic

1.原子操作封装类

java.util.concurrent.atomic包 提供了一组原子操作的封装类

2.原子操作举例

以AtomicInteger为例，它提供的主要操作有：

• 增加值并返回新值：int addAndGet(int delta)
• 加1后返回新值：int incrementAndGet()
• 获取当前值：int get()
• 用CAS方式设置：int compareAndSet(int expect, int update)

3.Atomic类实现线程安全(thread-safe)

无锁（lock-free）方式, 主要原理是利用了CAS：Compare and Set。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，它大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

CAS是指，在这个操作中，如果AtomicInteger的当前值是prev，那么就更新为next，返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev，就什么也不干，返回false。

通过CAS操作并配合do ... while循环，即使其他线程修改了AtomicInteger的值，最终的结果也是正确的。

4.应用场景

我们利用AtomicLong可以编写一个多线程安全的全局唯一ID生成器：

class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);

    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}

通常情况下，我们并不需要直接用do ... while循环调用compareAndSet实现复杂的并发操作，而是用incrementAndGet()这样的封装好的方法，因此，使用起来非常简单。

5.LongAdder和LongAccumulator

在高度竞争的情况下，还可以使用Java 8提供的LongAdder和LongAccumulator。

小结

使用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程：

• 原子操作实现了无锁的线程安全；
• 适用于计数器，累加器等。

十五.使用线程池

1.应用背景

创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间。

如果可以复用一组线程：

┌─────┐ execute  ┌──────────────────┐
│Task1│─────────>│ThreadPool        │
├─────┤          │┌───────┐┌───────┐│
│Task2│          ││Thread1││Thread2││
├─────┤          │└───────┘└───────┘│
│Task3│          │┌───────┐┌───────┐│
├─────┤          ││Thread3││Thread4││
│Task4│          │└───────┘└───────┘│
├─────┤          └──────────────────┘
│Task5│
├─────┤
│Task6│
└─────┘
  ...

那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，

可以把很多小任务让一组线程来执行, 而不是一个任务对应一个新线程。

这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。

2.线程池

简单地说，线程池内部维护了若干个线程，

2.1.没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。

2.2.如果有新任务，

​ 2.2.1线程池未满, 就分配一个空闲线程执行。

​ 2.2.2如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理。

3.ExecutorService接口

Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池，它的典型用法如下：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

因为ExecutorService只是接口，Java标准库提供的几个常用实现类有：

• FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
• CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
• SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池。

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。

我们以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

// thread-pool 
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

线程池在程序结束的时候要关闭。

shutdown()

shutdownNow()

awaitTermination()

Executors.newCachedThreadPool()方法的源码：

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

4.ScheduledThreadPool

还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。

创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类：

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次：

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每3秒执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的3秒为间隔执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别。FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间：

│░░░░   │░░░░░░ │░░░    │░░░░░  │░░░  
├───────┼───────┼───────┼───────┼────>
│<─────>│<─────>│<─────>│<─────>│

而FixedDelay是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务：

│░░░│       │░░░░░│       │░░│       │░
└───┼───────┼─────┼───────┼──┼───────┼──>
    │<─────>│     │<─────>│  │<─────>│

因此，使用ScheduledThreadPool时，我们要根据需要选择执行一次、FixedRate执行还是FixedDelay执行。

细心的童鞋还可以思考下面的问题：

• 在FixedRate模式下，假设每秒触发，如果某次任务执行时间超过1秒，后续任务会不会并发执行？
• 如果任务抛出了异常，后续任务是否继续执行？

Java标准库还提供了一个java.util.Timer类，这个类也可以定期执行任务，但是，一个Timer会对应一个Thread，所以，一个Timer只能定期执行一个任务，多个定时任务必须启动多个Timer，而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务，所以，我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer。

小结

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：

• 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
• Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
• 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
• ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。

十六.使用Future

1.背景:我们需要一个有返回值的多线程接口方法

Runnable接口的问题，它的方法run()没有返回值

class Task implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception {
        return longTimeCalculation(); 
    }

Callable接口是一个泛型接口，可以返回指定类型的结果。

2.如何获得异步执行的结果？

2.1ExecutorService.submit()方法

如果仔细看ExecutorService.submit()方法，可以看到，它返回了一个Future类型，一个Future类型的实例代表一个未来能获取结果的对象：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4); 
// 定义任务:
Callable<String> task = new Task();
// 提交任务并获得Future:
Future<String> future = executor.submit(task);
// 从Future获取异步执行返回的结果:
String result = future.get(); // 可能阻塞

2.2Future对象

当我们提交一个Callable任务后，我们会同时获得一个Future对象

2.3Future对象的get()方法

然后，我们在主线程某个时刻调用Future对象的get()方法，就可以获得异步执行的结果。

2.4如何获得异步执行的结果？

在调用get()时，如果异步任务已经完成，我们就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么get()会阻塞，直到任务完成后才返回结果。

一个Future<V>接口表示一个未来可能会返回的结果，它定义的方法有：

• get()：获取结果（可能会等待）
• get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
• cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
• isDone()：判断任务是否已完成。

小结

对线程池提交一个Callable任务，可以获得一个Future对象；

可以用Future在将来某个时刻获取结果。

十七.使用CompletableFuture

1.背景：使用Future获得异步执行结果，主线程会被迫等待

使用Future获得异步执行结果时，要么调用阻塞方法get()，要么轮询看isDone()是否为true

2.回调机制

从Java 8开始引入了CompletableFuture，它针对Future做了改进，可以传入回调对象，当异步任务完成或者发生异常时，自动调用回调对象的回调方法。

2.1我们以获取股票价格为例，看看如何使用CompletableFuture：

// CompletableFuture import java.util.concurrent.CompletableFuture; 
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步执行任务:
        CompletableFuture<Double> cf = CompletableFuture.supplyAsync(Main::fetchPrice);
        // 如果执行成功:
        cf.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 如果执行异常:
        cf.exceptionally((e) -> { 
            e.printStackTrace();
            return null;
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static Double fetchPrice() {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        if (Math.random() < 0.3) {
            throw new RuntimeException("fetch price failed!");
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

2.2相关接口和对象

创建一个CompletableFuture是通过CompletableFuture.supplyAsync()实现的，它需要一个实现了Supplier接口的对象：

public interface Supplier<T> {
    T get();
}

这里我们用lambda语法简化了一下，直接传入Main::fetchPrice，因为Main.fetchPrice()静态方法的签名符合Supplier接口的定义（除了方法名外）。

紧接着，CompletableFuture已经被提交给默认的线程池执行了，我们需要定义的是CompletableFuture完成时和异常时需要回调的实例。完成时，CompletableFuture会调用Consumer对象：

public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
}

异常时，CompletableFuture会调用Function对象：

public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

这里我们都用lambda语法简化了代码。

2.3CompletableFuture回调的优点是：

• 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
• 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
• 主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。

3.多个CompletableFuture串行执行：CompletableFuture相比Future的另一个优势

例如，定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格，这两个CompletableFuture实现串行操作如下：

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 第一个任务:
        CompletableFuture<String> cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油");
        });
        // cfQuery成功后继续执行下一个任务:
        CompletableFuture<Double> cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice(code);
        });
        // cfFetch成功后打印结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(2000);
    }

    static String queryCode(String name) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

4.多个CompletableFuture并行执行

例如，我们考虑这样的场景：

同时从新浪和网易查询证券代码，只要任意一个返回结果，就进行下一步查询价格，查询价格也同时从新浪和网易查询，只要任意一个返回结果，就完成操作：

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
        });
        CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
        });
        CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

        // 最终结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static String queryCode(String name, String url) {
        System.out.println("query code from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code, String url) {
        System.out.println("query price from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

上述逻辑实现的异步查询规则实际上是：

┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Query Code  │ │ Query Code  │
│  from sina  │ │  from 163   │
└─────────────┘ └─────────────┘
       │               │
       └───────┬───────┘
               ▼
        ┌─────────────┐
        │    anyOf    │
        └─────────────┘
               │
       ┌───────┴────────┐
       ▼                ▼
┌─────────────┐  ┌─────────────┐
│ Query Price │  │ Query Price │
│  from sina  │  │  from 163   │
└─────────────┘  └─────────────┘
       │                │
       └────────┬───────┘
                ▼
         ┌─────────────┐
         │    anyOf    │
         └─────────────┘
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │Display Price│
         └─────────────┘

除了anyOf()可以实现“任意个CompletableFuture只要一个成功”，allOf()可以实现“所有CompletableFuture都必须成功”，这些组合操作可以实现非常复杂的异步流程控制。

最后我们注意CompletableFuture的命名规则：

• xxx()：表示该方法将继续在已有的线程中执行；
• xxxAsync()：表示将异步在线程池中执行。

小结

CompletableFuture可以指定异步处理流程：

• thenAccept()处理正常结果；
• exceptional()处理异常结果；
• thenApplyAsync()用于串行化另一个CompletableFuture；
• anyOf()和allOf()用于并行化多个CompletableFuture。

十八.使用ForkJoin

核心代码SumTask继承自RecursiveTask，在compute()方法中，关键是如何“分裂”出子任务并且提交子任务：

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    protected Long compute() {
        // “分裂”子任务:
        SumTask subtask1 = new SumTask(...);
        SumTask subtask2 = new SumTask(...);
        // invokeAll会并行运行两个子任务:
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        // 获得子任务的结果:
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        // 汇总结果:
        return subresult1 + subresult2;
    }
}

Fork/Join线程池在Java标准库中就有应用。Java标准库提供的java.util.Arrays.parallelSort(array)可以进行并行排序，它的原理就是内部通过Fork/Join对大数组分拆进行并行排序，在多核CPU上就可以大大提高排序的速度。

小结

Fork/Join是一种基于“分治”的算法：通过分解任务，并行执行，最后合并结果得到最终结果。

ForkJoinPool线程池可以把一个大任务分拆成小任务并行执行，任务类必须继承自RecursiveTask或RecursiveAction。

使用Fork/Join模式可以进行并行计算以提高效率。

十九.使用ThreadLocal

1.如何获取当前线程

Thread.currentThread()

Thread.currentThread().getName()

2.如何再一个线程内传递状态

2.1使用上下文Context(就是方法参数)

​ Context是一种状态，可以是用户身份、任务信息等

给每个方法增加一个context参数非常麻烦，而且有些时候，如果调用链有无法修改源码的第三方库，User对象就传不进去了

2.2使用ThreadLocal

2.2.1初始化

ThreadLocal实例通常总是以静态字段初始化如下：

static ThreadLocal<User> threadLocalUser = new ThreadLocal<>();

2.2.2使用

它的典型使用方式如下：

void processUser(user) {
    try {
        threadLocalUser.set(user);
        step1();
        step2();
    } finally {
        threadLocalUser.remove();
    }
}

通过设置一个User实例关联到ThreadLocal中，在移除之前，所有方法都可以随时获取到该User实例：

void step1() {
    User u = threadLocalUser.get();
    log();
    printUser();
}

void log() {
    User u = threadLocalUser.get();
    println(u.name);
}

void step2() {
    User u = threadLocalUser.get();
    checkUser(u.id);
}

2.2.3如何理解

注意到普通的方法调用一定是同一个线程执行的，所以，step1()、step2()以及log()方法内，threadLocalUser.get()获取的User对象是同一个实例。

实际上，可以把ThreadLocal看成一个全局Map<Thread, Object>：每个线程获取ThreadLocal变量时，总是使用Thread自身作为key：

Object threadLocalValue = threadLocalMap.get(Thread.currentThread());

因此，ThreadLocal相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的ThreadLocal关联的实例互不干扰。

2.2.4ThreadLocal清除

ThreadLocal一定要在finally中清除

这是因为当前线程执行完相关代码后，很可能会被重新放入线程池中，如果ThreadLocal没有被清除，该线程执行其他代码时，会把上一次的状态带进去。

2.2.5让编译器自动为我们关闭ThreadLocal

2.2.5.1实现AutoCloseable接口

为了保证能释放ThreadLocal关联的实例，我们可以通过AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构，让编译器自动为我们关闭。例如，一个保存了当前用户名的ThreadLocal可以封装为一个UserContext对象：

public class UserContext implements AutoCloseable {

    static final ThreadLocal<String> ctx = new ThreadLocal<>();

    public UserContext(String user) {
        ctx.set(user);
    }

    public static String currentUser() {
        return ctx.get();
    }

    @Override
    public void close() {
        ctx.remove();
    }
}

2.2.5.2使用实现AutoCloseable接口的类

使用的时候，我们借助try (resource) {...}结构，可以这么写：

try (var ctx = new UserContext("Bob")) {
    // 可任意调用UserContext.currentUser():
    String currentUser = UserContext.currentUser();
} // 在此自动调用UserContext.close()方法释放ThreadLocal关联对象

这样就在UserContext中完全封装了ThreadLocal，外部代码在try (resource) {...}内部可以随时调用UserContext.currentUser()获取当前线程绑定的用户名。

小结

ThreadLocal表示线程的“局部变量”，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的；

ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）；

alue = threadLocalMap.get(Thread.currentThread());

因此，`ThreadLocal`相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的`ThreadLocal`关联的实例互不干扰。

### 2.2.4`ThreadLocal`清除

`ThreadLocal`一定要在`finally`中清除

这是因为当前线程执行完相关代码后，很可能会被重新放入线程池中，如果`ThreadLocal`没有被清除，该线程执行其他代码时，会把上一次的状态带进去。

### 2.2.5让编译器自动为我们关闭`ThreadLocal`

#### 2.2.5.1实现`AutoCloseable`接口

为了保证能释放`ThreadLocal`关联的实例，我们可以通过`AutoCloseable`接口配合`try (resource) {...}`结构，让编译器自动为我们关闭。例如，一个保存了当前用户名的`ThreadLocal`可以封装为一个`UserContext`对象：

```java
public class UserContext implements AutoCloseable {

    static final ThreadLocal<String> ctx = new ThreadLocal<>();

    public UserContext(String user) {
        ctx.set(user);
    }

    public static String currentUser() {
        return ctx.get();
    }

    @Override
    public void close() {
        ctx.remove();
    }
}

2.2.5.2使用实现AutoCloseable接口的类

使用的时候，我们借助try (resource) {...}结构，可以这么写：

try (var ctx = new UserContext("Bob")) {
    // 可任意调用UserContext.currentUser():
    String currentUser = UserContext.currentUser();
} // 在此自动调用UserContext.close()方法释放ThreadLocal关联对象

这样就在UserContext中完全封装了ThreadLocal，外部代码在try (resource) {...}内部可以随时调用UserContext.currentUser()获取当前线程绑定的用户名。

小结

ThreadLocal表示线程的“局部变量”，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的；

ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）；

使用ThreadLocal要用try ... finally结构，并在finally中清除。