Java多线程（五）

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七、 共享模型之工具（主要是线程池）

1、自定义线程池

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概念

阻塞队列中维护了由主线程（或者其他线程）所产生的的任务

主线程类似于生产者，产生任务并放入阻塞队列中

线程池类似于消费者，得到阻塞队列中已有的任务并执行

实现了一个简单的线程池的思路

1. 阻塞队列BlockingQueue用于暂存来不及被线程执行的任务

  • 也可以说是平衡生产者和消费者执行速度上的差异
  • 里面的获取任务和放入任务用到了生产者消费者模式
  1. 线程池中对线程Thread进行了再次的封装，封装为了Worker
  • 在调用任务的run方法时，线程会去执行该任务，执行完毕后还会到阻塞队列中获取新任务来执行
  1. 线程池中执行任务的主要方法为execute方法
  • 执行时要判断正在执行的线程数是否大于了线程池容量

或者

步骤1：自定义拒绝策略接口

步骤2：自定义任务队列

阻塞队列类

成员变量：任务队列，锁，生产者条件，消费者条件，容量

成员方法：阻塞添加，阻塞获取，带超时阻塞添加，带超时阻塞获取，数量，带策略阻塞添加

步骤3：自定义线程池

线程池类

构造方法：

成员变量：任务队列，线程集合，核心线程数，获取任务的超时时间，拒绝策略

成员方法：执行任务

线程类（worker)继承

成员变量: Runnable

成员方法：run

步骤4：测试

自定义线程池类

多个线程执行

2、ThreadPoolExecutor

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（1）线程池的状态 图片3.png

（2）构造方法

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工作方式:当一个任务传给线程池以后，可能有以下几种可能

  • 将任务分配给一个核心线程来执行
  • 核心线程都在执行任务，将任务放到阻塞队列workQueue中等待被执行
  • 阻塞队列满了，使用救急线程来执行任务。救急线程用完以后，超过生存时间（keepAliveTime）后会被释放
  • 任务总数大于了 最大线程数（maximumPoolSize）与阻塞队列容量的最大值（workQueue.capacity），使用拒接策略

拒绝策略：如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略

  • AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认策略
  • 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

另外，其他的实现方式

  • Dubbo 的实现，在抛出 RejectedExecutionException 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，类似我们之前自定义的拒绝策略
  • 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。

（3）newFixedThreadPool

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

评价：适用于任务量已知，相对耗时的任务

（4）newCachedThreadPool

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（一手交钱、一手交货）

评价：整个线程池表现为线程数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

（5）newSingleThreadPool

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，这唯一的线程也不会被释放。

区别：

  • 自己创建一个单线程串行执行任务，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.newSingleThreadExecutor() 线程个数始终为1，不能修改。inalizableDelegatedExecutorService 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

（6）提交任务

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（7）关闭线程池

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3、设计模式 （异步模式之工作线程）

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。

工作线程本质上是分工。不同任务类型应该使用不同的线程池，这样能够避免饥饿，并能提升效率。例如，如果一个餐馆的工人既要招呼客人（任务类型A），又要到后厨做菜（任务类型B）显然效率不咋地，分成服务员（线程池A）与厨师（线程池B）更为合理，当然你能想到更细致的分工。

4、Timer 相关 （quarts）

Timer 的优点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，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。

5、ScheduledThreadPoolExecutor

scheduleAtFixedRate 例子（任务执行时间超过了间隔时间），由于任务执行时间 > 间隔时间，间隔被『撑』到了 2s

scheduleWithFixedDelay 例子。这个不会产生间隔效果。

6、处理异常

方法1：主动捉异常

方法2：使用 Future

7、Tomcat线程池

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8、Fork/Join

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 八、锁相关 （ AQS 和ReentrantLock）

1、AQS概述

（1）定义

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（2）实现自定义锁

自定义同步器extends AbstractQueuedSynchronizer

（tryAcqurie, tryRelease, condition）

自定义锁，有了自定义同步器，很容易复用 AQS ，实现一个功能完备的自定义锁

（3）理解

AQS 要实现的功能目标

阻塞机制，阻塞版本获取锁 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire

获取锁超时机制

通过打断取消机制

独占机制及共享机制

条件不满足时的等待机制

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2、Reentrantlock

简单说

加锁过程

成功，结束。

失败，进入队列。

      尝试，2次后，没有获得（有公平和非公平），挂起（线程状态为-1）。

线程释放锁的过程

      如果没有其他线程抢，等待队列中可以获得。

      如果有其他线程抢，并且成功。

公平和非公平的区别:

  1. 公平锁

想要获取锁资源的线程在队列里进行排队等待，新来的线程去队尾排队，锁资源释放的时候只有队首线程可以获得锁资源。

  1. 非公平锁

新来的线程直接和队首线程争抢锁资源，如果争抢到了，则直接获取锁资源，队首线程继续等待。 如果新来的线程竞争失败，则去队尾进行排队，只能等待队列前所有线程执行完毕后自己才能获取锁。

注意，公平锁与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法的实现；公平锁会先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有才去竞争；非公平锁则直接竞争。

（1）非公平锁（公平）原理

加锁流程

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有竞争

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PART1:非公平模式（默认）

PART2:公平模式

（2）可重入原理

通过state++ 来实现

（3）可打断原理

不可打断模式（lock()方法）

这个模式下，即使线程被打断，线程仍然会留在AQS阻塞队列中，等获得锁后方能继续运行。线程只有获得锁后才能响应打断。

可打断模式（lockInterruptibly()）

在这个模式下，可打断锁则会通过抛出异常的方式立刻响应打断,从而让线程停止在阻塞队列中等待。立即相应。

PART1:不可打断模式

PART2:可打断模式

（4）条件变量原理

传统对象等待集合只有一个 waitSet， Lock可以通过newCondition()方法 生成多个等待集合Condition对象。ReentrantLock的条件变量比 synchronized强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息。而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒。

简而言之：

await：创建conditionObject等待队列，线程加入到ConditionObject的链表中去，释放掉该线程所有的锁，把自己park住，然后唤醒下一个节点。

signal：必须要锁的持有者来调用该方法，把ConditionObject链表中的第一个线程转移到AQS的等待队列中。

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3、读写锁

简而言之：

由于 state 是 int 类型的变量，在内存中占用4个字节，也就是32位。将其拆分为两部分：高16位和低16位，其中高16位用来表示读锁状态，低16位用来表示写锁状态。

当设置读锁成功时，就将高16位加1，释放读锁时，将高16位减1；

当设置写锁成功时，就将低16位加1，释放写锁时，将第16位减1

另外等待队列中节点会唤醒时，如果后续节点时读锁，那么它仍旧被唤醒，直至后面为写锁。

（1）图解

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（2）原理（源码）

读锁（加锁，解锁）

写锁（加锁，解锁）

（3）应用（读写锁一致性缓存）

A: 图解

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B:  代码

（4）Stampedlock

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4、Semaphore

（1）应用

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（2）原理

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5、Countdownlatch

（1） 应用之同步等待多线程准备完毕

（2）应用之同步等待多个远程调用结束

6、Future

7、Cyclicbarrier

注意 CyclicBarrier 与 CountDownLatch 的主要区别在于 CyclicBarrier 是可以重用的 CyclicBarrier 可以被比喻为『人满发车』。

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