Java并发

Chamberlan
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JAVA并发

线程与进程的区别

线程，程序执行流的最小执行单位，是行程中的实际运作单位，经常容易和进程这个概念混淆。那么，线程和进程究竟有什么区别呢？首先，进程是一个动态的过程，是一个活动的实体。简单来说，一个应用程序的运行就可以被看做是一个进程，而线程，是运行中的实际的任务执行者。可以说，进程中包含了多个可以同时运行的线程。

线程的基本概念

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第一步，是用new Thread()的方法新建一个线程，在线程创建完成之后，线程就进入了就绪（Runnable）状态，此时创建出来的线程进入抢占CPU资源的状态，当线程抢到了CPU的执行权之后，线程就进入了运行状态（Running），当该线程的任务执行完成之后或者是非常态的调用的stop（）方法之后，线程就进入了死亡状态。而我们在图解中可以看出，线程还具有一个则色的过程，这是怎么回事呢？当面对以下几种情况的时候，容易造成线程阻塞，第一种，当线程主动调用了sleep（）方法时，线程会进入则阻塞状态，除此之外，当线程中主动调用了阻塞时的IO方法时，这个方法有一个返回参数，当参数返回之前，线程也会进入阻塞状态，还有一种情况，当线程进入正在等待某个通知时，会进入阻塞状态。那么，为什么会有阻塞状态出现呢？我们都知道,CPU的资源是十分宝贵的，所以，当线程正在进行某种不确定时长的任务时，Java就会收回CPU的执行权，从而合理应用CPU的资源。我们根据图可以看出，线程在阻塞过程结束之后，会重新进入就绪状态，重新抢夺CPU资源。这时候，我们可能会产生一个疑问，如何跳出阻塞过程呢?又以上几种可能造成线程阻塞的情况来看，都是存在一个时间限制的，当sleep()方法的睡眠时长过去后，线程就自动跳出了阻塞状态，第二种则是在返回了一个参数之后，在获取到了等待的通知时，就自动跳出了线程的阻塞过程

单线程与多线程

单线程，顾名思义即是只有一条线程在执行任务，这种情况在我们日常的工作学习中很少遇到，所以我们只是简单做一下了解

多线程，创建多条线程同时执行任务，这种方式在我们的日常生活中比较常见。但是，在多线程的使用过程中，还有许多需要我们了解的概念。比如，在理解上并行和并发的区别，以及在实际应用的过程中多线程的安全问题，对此，我们需要进行详细的了解。

并行和并发：在我们看来，都是可以同时执行多种任务，那么，到底他们二者有什么区别呢？

并发，从宏观方面来说，并发就是同时进行多种时间，实际上，这几种时间，并不是同时进行的，而是交替进行的，而由于CPU的运算速度非常的快，会造成我们的一种错觉，就是在同一时间内进行了多种事情

而并发，则是真正意义上的同时进行多种事情。这种只可以在多核CPU的基础下完成。

还有就是多线程的安全问题？为什么会造成多线程的安全问题呢？我们可以想象一下，如果多个线程同时执行一个任务，name意味着他们共享同一种资源，由于线程CPU的资源不一定可以被谁抢占到，这是，第一条线程先抢占到CPU资源，他刚刚进行了第一次操作，而此时第二条线程抢占到了CPU的资源，name，共享资源还来不及发生变化，就同时有两条数据使用了同一条资源，具体请参考多线程买票问题。这个问题我们应该如何解决那？

有造成问题的原因我们可以看出，这个问题主要的矛盾在于，CPU的使用权抢占和资源的共享发生了冲突，解决时，我们只需要让一条线程战歌了CPU的资源时，阻止第二条线程同时抢占CPU的执行权，在代码中，我们只需要在方法中使用同步代码块即可。在这里，同步代码块不多进行赘述，可以自行了解。

线程池

又以上介绍我们可以看出，在一个应用程序中，我们需要多次使用线程，也就意味着，我们需要多次创建并销毁线程。而创建并销毁线程的过程势必会消耗内存。而在Java中，内存资源是及其宝贵的，所以，我们就提出了线程池的概念。

线程池：Java中开辟出了一种管理线程的概念，这个概念叫做线程池，从概念以及应用场景中，我们可以看出，线程池的好处，就是可以方便的管理线程，也可以减少内存的消耗。

那么，我们应该如何创建一个线程池那?Java中已经提供了创建线程池的一个类：Executor

而我们创建时，一般使用它的子类：ThreadPoolExecutor.

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,  //核心线程数量，在没有用的时候也不会被回收
                              int maximumPoolSize,  //线程池可容纳最大线程数量
                              long keepAliveTime,  //除了核心线程外其他最长可以保留的时间，即非核心线程可以保留的最长的空闲时间
                              TimeUnit unit,  //时间单位
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,//等待队列，任务可以存储在任务队列中等待被执行，执行先进先出  
                              ThreadFactory threadFactory, //创建线程的线程工厂
                              RejectedExecutionHandler handler)//拒绝策略，任务满了之后，拒绝某些任务

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有图我们可以看出，任务进来时，首先执行判断，判断核心线程是否处于空闲状态，如果不是，核心线程就先就执行任务，如果核心线程已满，则判断任务队列是否有地方存放该任务，若果有，就将任务保存在任务队列中，等待执行，如果满了，在判断最大可容纳的线程数，如果没有超出这个数量，就开创非核心线程执行任务，如果超出了，就调用handler实现拒绝策略。 handler的拒绝策略：

有四种：第一种AbortPolicy:不执行新任务，直接抛出异常，提示线程池已满

         第二种DisCardPolicy:不执行新任务，也不抛出异常

         第三种DisCardOldSetPolicy:将消息队列中的第一个任务替换为当前新进来的任务执行

         第四种CallerRunsPolicy:直接调用execute来执行当前任务
  • newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池程
  • newFixedThreadPool创建一个定长线程池
  • newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池
  • newSingleThreadExecutor创建一个单线程化的线程池

Semaphore

Semaphore是一种在多线程环境下使用的设施，该设施负责协调各个线程，以保证它们能够正确、合理的使用公共资源的设施，也是操作系统中用于控制进程同步互斥的量。Semaphore是一种计数信号量，用于管理一组资源，内部是基于AQS的共享模式。它相当于给线程规定一个量从而控制允许活动的线程数。

工作原理

以一个停车场是运作为例。为了简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆不受阻碍的进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入一辆，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。这个停车系统中，每辆车就好比一个线程，看门人就好比一个信号量，看门人限制了可以活动的线程。假如里面依然是三个车位，但是看门人改变了规则，要求每次只能停两辆车，那么一开始进入两辆车，后面得等到有车离开才能有车进入，但是得保证最多停两辆车。对于Semaphore类而言，就如同一个看门人，限制了可活动的线程数。

Semahore主要方法

  • Semaphore(int permits):构造方法，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为非公平信号量。
  • Semaphore(int permits,boolean fair):构造方法，当fair等于true时，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为公平信号量。
  • void acquire():从此信号量获取一个许可前线程将一直阻塞。相当于一辆车占了一个车位。
  • void acquire(int n):从此信号量获取给定数目许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。比如n=2，就相当于一辆车占了两个车位。
  • void release():释放一个许可，将其返回给信号量。就如同车开走返回一个车位。
  • void release(int n):释放n个许可。
  • int availablePermits()：当前可用的许可数。

应用场景

Semaphore可以用于做流量控制，特别公用资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有一个需求，要读取几万个文件的数据，因为都是IO密集型任务，我们可以启动几十个线程并发的读取，但是如果读到内存后，还需要存储到数据库中，而数据库的连接数只有10个，这时我们必须控制只有十个线程同时获取数据库连接保存数据，否则会报错无法获取数据库连接。这个时候，我们就可以使用Semaphore来做流控，代码如下：

public class SemaphoreTest {

	private static final int THREAD_COUNT = 30;

	private static ExecutorService threadPool = Executors
			.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);

	private static Semaphore s = new Semaphore(10);

	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
			threadPool.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					try {
						s.acquire();
						System.out.println("save data");
						s.release();
					} catch (InterruptedException e) {
					}
				}
			});
		}

		threadPool.shutdown();
	}
}

在代码中，虽然有30个线程在执行，但是只允许10个并发的执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits) 接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore(10)表示允许10个线程获取许可证，也就是最大并发数是10。Semaphore的用法也很简单，首先线程使用Semaphore的acquire()获取一个许可证，使用完之后调用release()归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

CountDownLatch

概述

CountDownLatch是java.util.concurrent包中一个类，CountDownLatch只要提供的机制是多个（具体数量等于初始化CountDownLatch时count的值）线程都达到了预期状态或者完成了预期工作时触发事件，其他线程可以等待这个事件来触发自己后续的工作。等待的线程可以是多个，即CountDownLatch可以唤醒多个等待的线程。到达自己预期状态的线程会调用CountDownLatch的countDown方法，而等待的线程会调用CountDownLatch的await方法。

CountDownLatch是一个用来控制并发的很常见的工具，它允许一个或者多个线程等待其他的线程执行到某一操作，比如说需要去解析一个excel的数据，为了更快的解析则每个sheet都使用一个线程去进行解析，但是最后的汇总数据的工作则需要等待每个sheet的解析工作完成之后才能进行，这就可以使用CountDownLatch。

@Test
    public void countDownLatchTest() {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        int count = 10;
        CountDownLatch latch= new CountDownLatch(count);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            cachedThreadPool.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                latch.countDown();
            });
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("主线程唤醒执行");
        cachedThreadPool.shutdown();
    }
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