Java并发知识总结第一弹

程序员大彬
191 阅读8分钟

「这是我参与2022首次更文挑战的第13天，活动详情查看：2022首次更文挑战」。

大家好，我是大彬。今天给大家分享Java并发知识总结（第一弹）。

线程池

为什么使用线程池？

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 提高响应速度。当任务到达时，可以不需要等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。统一管理线程，避免系统创建大量同类线程而导致消耗完内存。

线程池执行原理？

线程池执行流程

  1. 当线程池里存活的线程数小于核心线程数corePoolSize时，这时对于一个新提交的任务，线程池会创建一个线程去处理任务。当线程池里面存活的线程数小于等于核心线程数corePoolSize时，线程池里面的线程会一直存活着，就算空闲时间超过了keepAliveTime，线程也不会被销毁，而是一直阻塞在那里一直等待任务队列的任务来执行。
  2. 当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了，这是对于一个新提交的任务，会被放进任务队列workQueue排队等待执行。
  3. 当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了，并且任务队列也满了，假设maximumPoolSize>corePoolSize，这时如果再来新的任务，线程池就会继续创建新的线程来处理新的任务，知道线程数达到maximumPoolSize，就不会再创建了。
  4. 如果当前的线程数达到了maximumPoolSize，并且任务队列也满了，如果还有新的任务过来，那就直接采用拒绝策略进行处理。默认的拒绝策略是抛出一个RejectedExecutionException异常。

线程池参数有哪些？

ThreadPoolExecutor 的通用构造函数：

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

1、corePoolSize：当有新任务时，如果线程池中线程数没有达到线程池的基本大小，则会创建新的线程执行任务，否则将任务放入阻塞队列。当线程池中存活的线程数总是大于 corePoolSize 时，应该考虑调大 corePoolSize。

2、maximumPoolSize：当阻塞队列填满时，如果线程池中线程数没有超过最大线程数，则会创建新的线程运行任务。否则根据拒绝策略处理新任务。非核心线程类似于临时借来的资源，这些线程在空闲时间超过 keepAliveTime 之后，就应该退出，避免资源浪费。

3、BlockingQueue：存储等待运行的任务。

4、keepAliveTime：非核心线程空闲后，保持存活的时间，此参数只对非核心线程有效。设置为0，表示多余的空闲线程会被立即终止。

5、TimeUnit：时间单位

TimeUnit.DAYS
TimeUnit.HOURS
TimeUnit.MINUTES
TimeUnit.SECONDS
TimeUnit.MILLISECONDS
TimeUnit.MICROSECONDS
TimeUnit.NANOSECONDS

6、ThreadFactory：每当线程池创建一个新的线程时，都是通过线程工厂方法来完成的。在 ThreadFactory 中只定义了一个方法 newThread，每当线程池需要创建新线程就会调用它。

public class MyThreadFactory implements ThreadFactory {
    private final String poolName;
    
    public MyThreadFactory(String poolName) {
        this.poolName = poolName;
    }
    
    public Thread newThread(Runnable runnable) {
        return new MyAppThread(runnable, poolName);//将线程池名字传递给构造函数，用于区分不同线程池的线程
    }
}

7、RejectedExecutionHandler：当队列和线程池都满了的时候，根据拒绝策略处理新任务。

AbortPolicy：默认的策略，直接抛出RejectedExecutionException
DiscardPolicy：不处理，直接丢弃
DiscardOldestPolicy：将等待队列队首的任务丢弃，并执行当前任务
CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

线程池大小怎么设置？

如果线程池线程数量太小，当有大量请求需要处理，系统响应比较慢，会影响用户体验，甚至会出现任务队列大量堆积任务导致OOM。

如果线程池线程数量过大，大量线程可能会同时抢占 CPU 资源，这样会导致大量的上下文切换，从而增加线程的执行时间，影响了执行效率。

CPU 密集型任务(N+1)： 这种任务消耗的主要是 CPU 资源，可以将线程数设置为 N（CPU 核心数）+1，多出来的一个线程是为了防止某些原因导致的线程阻塞（如IO操作，线程sleep，等待锁）而带来的影响。一旦某个线程被阻塞，释放了CPU资源，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用 CPU 的空闲时间。

I/O 密集型任务(2N)： 系统的大部分时间都在处理 IO 操作，此时线程可能会被阻塞，释放CPU资源，这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 IO 密集型任务的应用中，可以多配置一些线程，具体的计算方法：最佳线程数 = CPU核心数 * (1/CPU利用率) = CPU核心数 * (1 + (IO耗时/CPU耗时))，一般可设置为2N。

进程线程

进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间。

线程是比进程更小的执行单位，它是在一个进程中独立的控制流，一个进程可以启动多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

线程的生命周期

初始(NEW)：线程被构建，还没有调用 start()。

运行(RUNNABLE)：包括操作系统的就绪和运行两种状态。

阻塞(BLOCKED)：一般是被动的，在抢占资源中得不到资源，被动的挂起在内存，等待资源释放将其唤醒。线程被阻塞会释放CPU，不释放内存。

等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。

超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。

终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

图片来源：Java并发编程的艺术

讲讲线程中断？

线程中断即线程运行过程中被其他线程给打断了，它与 stop 最大的区别是：stop 是由系统强制终止线程，而线程中断则是给目标线程发送一个中断信号，如果目标线程没有接收线程中断的信号并结束线程，线程则不会终止，具体是否退出或者执行其他逻辑取决于目标线程。

线程中断三个重要的方法：

1、java.lang.Thread#interrupt

调用目标线程的interrupt()方法，给目标线程发一个中断信号，线程被打上中断标记。

2、java.lang.Thread#isInterrupted()

判断目标线程是否被中断，不会清除中断标记。

3、java.lang.Thread#interrupted

判断目标线程是否被中断，会清除中断标记。

private static void test2() {
    Thread thread = new Thread(() -> {
        while (true) {
            Thread.yield();

            // 响应中断
            if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("Java技术栈线程被中断，程序退出。");
                return;
            }
        }
    });
    thread.start();
    thread.interrupt();
}

创建线程有哪几种方式？

  • 通过扩展Thread类来创建多线程
  • 通过实现Runnable接口来创建多线程
  • 实现Callable接口，通过FutureTask接口创建线程。
  • 使用Executor框架来创建线程池。

继承 Thread 创建线程代码如下。run()方法是由jvm创建完操作系统级线程后回调的方法，不可以手动调用，手动调用相当于调用普通方法。

/**
 * @author: 程序员大彬
 */
public class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + ":" + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread mThread1 = new MyThread();
        MyThread mThread2 = new MyThread();
        MyThread myThread3 = new MyThread();
        mThread1.start();
        mThread2.start();
        myThread3.start();
    }
}

Runnable 创建线程代码：

/**
 * @author: 程序员大彬
 */
public class RunnableTest {
    public static  void main(String[] args){
        Runnable1 r = new Runnable1();
        Thread thread = new Thread(r);
        thread.start();
        System.out.println("主线程：["+Thread.currentThread().getName()+"]");
    }
}

class Runnable1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

  1. 可以避免java中的单继承的限制
  2. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类

Callable 创建线程代码：

/**
 * @author: 程序员大彬
 */
public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Callable1 c = new Callable1();

        //异步计算的结果
        FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(c);

        new Thread(result).start();

        try {
            //等待任务完成，返回结果
            int sum = result.get();
            System.out.println(sum);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

class Callable1 implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;

        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

使用 Executor 创建线程代码：

/**
 * @author: 程序员大彬
 */
public class ExecutorsTest {
    public static void main(String[] args) {
        //获取ExecutorService实例，不建议使用
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //提交任务
        executorService.submit(new RunnableDemo());
    }
}

class RunnableDemo implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("大彬");
    }
}

什么是线程死锁？

多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

死锁

线程死锁怎么产生？怎么避免？

死锁产生的四个必要条件：

  • 互斥：一个资源每次只能被一个进程使用

  • 请求与保持：一个进程因请求资源而阻塞时，不释放获得的资源

  • 不剥夺：进程已获得的资源，在未使用之前，不能强行剥夺

  • 循环等待：进程之间循环等待着资源

避免死锁的方法：

  • 互斥条件不能破坏，因为加锁就是为了保证互斥
  • 一次性申请所有的资源，避免线程占有资源而且在等待其他资源
  • 占有部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，主动释放它占有的资源
  • 按序申请资源

线程run和start的区别？

  • 当程序调用start()方法，将会创建一个新线程去执行run()方法中的代码。run()就像一个普通方法一样，直接调用run()的话，不会创建新线程。
  • 一个线程的 start() 方法只能调用一次，多次调用会抛出 java.lang.IllegalThreadStateException 异常。run() 方法则没有限制。
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