java线程的原理和实现方式

本篇内容介绍了“java线程的原理和实现方式”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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多线程的实现方式以及区别

我们都知道，实现多线程的方式是继承Thread类和实现Runable接口，那么除了java中不允许多继承的这个特性，他们之间还有什么区别呢？我们看下面这个例子：

//继承Thread类
public class ThreadTest extends Thread {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    @Override
    public void run() {
       for(int i=0;i<5;i++){
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + count.incrementAndGet());
       }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ThreadTest().start();
        new ThreadTest().start();
    }
}

//实现Runable接口
public class RunnableTest implements Runnable {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + count.incrementAndGet());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        RunnableTest rab=new RunnableTest();
        new Thread(rab).start();
        new Thread(rab).start();
    }
}

通过观察console信息我们可以看到，继承Thread类，无法共享对象资源，而实现Runable则可以；这让我们可以针对不同的业务情况作出不同的选择。

线程的状态

Thread.State枚举中定义了线程的六种状态

状态	说明
NEW	new 对象后线程状态
RUNNABLE	start方法调用后;或者waiting状态下的线程调用了notify、LockSupport.Unpark等方法
BLOCKED	等待synchronized代码块时的状态
WAITING	调用wait()、join()，LockSupport.park()方法后
TIMED_WAITING	调用wait(long)、sleep(long)，join(long)方法后
TERMINATED	线程运行完毕，或者调用terminate方法成功

关于线程状态流转，看下面这幅图；左边是正常状态流转，右边是存在block和waiting的情况：

网上有些文章说线程还分为ready和running状态，这里需要注意的是，这两种执行状态都属于Runable状态；ready和running状态其实是描述VM/OS是否线程分配CPU资源，JVM并不能决定这一事情。当然运行中的线程通过调用yield方法是可以将running状态的线程切换到ready状态，但这一过程是OS层面的事情而非JVM层面。

有关线程的方法

在实现多线程的过程中，我们需要用到相关方法来进行线程状态的切换，已达到不同的目的。

• Thread类的相关方法

方法	说明
start	启动线程，使线程进入运行状态
setPriority	给线程设置优先级，有三个可选项：Thread.MIN_PRIORITY 最低优先级、Thread.NORM_PRIORITY 普通、Thread.MAX_PRIORITY 最高
sleep	使线程进入睡眠状态，需要指定时间，线程进入等待状态，此时线程仍然持有锁
yield	使线程交出CPU资源给优先级是同级及以上的线程，不可以指定时间，线程仍然是RUNABLE状态，此时线程仍然持有锁
interrupt	终止未执行的线程，正在执行的线程不受影响，被终止的线程进入TERMINATED终止状态
stop	强行终止线程，不管线程是否在执行中，此方法为废弃方法，不是线程安全方法，因为会释放线程持有的锁导致数据不一致的问题产生
join	等待线程执行完毕，一般是在主线程中等待子线程执行结束，此方法会阻塞当前线程

• Object类的相关方法
  Obj类主要有wait()和notify()、notifyAll()三个方法来控制多线程读共享数据的访问；注意这三个方法不是Thread类的，故只能在同步代码块中才会产生效果。

方法	说明
wait	使线程暂停，并释放持有的锁，需要手动调用notify方法唤醒；线程暂停后会放入等待队列
wait(long)	同wait，但是可以指定暂停的时间
notify	唤醒暂停的线程，将线程移出等待队列；线程唤醒后并不立即执行，而是放入获取锁的队列中等待获取锁
notifyAll	唤醒所有暂停的线程，将所有线程冲等待队列中移出，并放入获取锁的队列中

线程池

我们在系统中直接new线程是可以实现多线程，但是存在以下弊端：

• 线程不能重用，过多的线程创建和销毁会降低系统性能

• 不能控制线程并发数量

• 不能指定线程的定时执行等

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor让我们可以自定义线程池，它有三个构造函数，它的参数含义如下 ：

参数	说明
int corePoolSize	核心线程数量，当线程池内的线程数小于corePoolSize，会新建线程马上运行任务；这些线程创建后不会进行回收操作，即便是闲置状态
int maximumPoolSize	最大线程数量，此参数需大于corePoolSize；当添加任务时，如果当前线程池线程数量大于corePoolSize，会提交给等待队列，当队列满了后，会新建线程（运行线程数不超过maximumPoolSize情况下），这一部分线程我们称之为非核心线程数，它和核心线程没有区别，只是系统会定时回收线程，最终线程数会保持在corePoolSize数量
long keepAliveTime	非核心线程的回收时间，默认60
TimeUnit unit	keepAliveTime的单位，默认秒
BlockingQueue workQueue	线程池中的任务队列，提交任务时如果核心线程数达到，则会提交到这里排队
ThreadFactory threadFactory	创建线程的工厂，可以给每个创建出来的线程设置名字。一般情况下无须设置该参数
RejectedExecutionHandler handler	拒绝策略，这是当任务队列和线程池都满了时所采取的应对策略，默认是AbordPolicy，表示直接抛出RejectedExecutionException 异常

• 任务队列

workQueue指明了当核心线程数达到最大时，任务的排队策略；有三种类型：

参数	说明	缺点
直接提交	例如：SynchronousQueue（默认），这是一个没有数据缓冲的阻塞队列，队列中只能存放一个元素，超出之后后续线程提交会阻塞（maximumPoolSize达到阈值情况下）	线程阻塞
无界队列	例如：不设定容量的LinkedBlockingQueue，当核心线程数满了之后，任务提交后可以一直存放在队列中	maximumPoolSize失效，且有OOM风险
有界队列	例如：ArrayBlockingQueue，当核心线程数满了之后，一定量的任务提交可以存放在队列中，但是后续如果添加新的任务，需要有拒绝策略	需要指定拒绝策略

• 拒绝策略

在使用有界队列的前提下，如果工作队列已满，我们需要设定拒绝策略

参数	说明
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy	默认策略；直接抛出RejectedExecutionException异常
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy	将任务交给主线程执行，通过阻塞主线程达到减缓提交的作用
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy	直接丢弃当前任务
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy	丢弃最老的任务

以上拒绝策略中，除了CallerRunsPolicy其他的都好理解，下面我们使用CallerRunsPolicy策略来和DiscardPolicy进行一个比对：

我们定义了最大线程是3个，排队两个，线程睡眠0.5s以达到效果；使用DiscardPolicy策略我们可以看到10个任务丢弃了5个。
但是CallerRunsPolicy策略会让主线程来执行任务，同时将主线程阻塞，已达到延缓提交任务的效果；当主线程执行完毕后，线程池内任务也执行完毕了，这时线程池会继续接受后续任务。

线程池提交方式

我们可以通过submit、execute方法提交任务给线程池执行，其中submit方法有三个重载，他们有以下区别

方法	说明	是否关心结果
void execute	无返回值，提交后任务和主线程再无瓜葛	否
Future submit(Callable task)	返回一个代表执行结果的Future对象，当调用Future的get方法时会获取到执行结果，如果线程发生异常会获取到异常信息	是
Future submit(Runnable task)	返回一个代表执行结果的Future对象，，当调用Future的get方法时，成功返回null，如果线程发生异常会获取到异常信息	是
Future submit(Runnable task, T result)	当线程正常结束的时候调用Future的get方法会返回result对象，当线程抛出异常的时候会获取到对应的异常的信息	是

线程池优化策略

• CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1

• IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU

Executors

上面ThreadExecutorPool提供给我们手动实现线程池的方式，同时J.U.C包下面提供了线程池Executors类，可以让我们方便的创建线程池。
Executors提供了5种线程池的实现方式，以针对不同的业务场景：

从上图中我们可以看到，除了newWorkStealingPool以外，其他的线程池都只是通过ThreadExecutorPool构造函数，传递不同的参数而实现不同的效果，这也是本篇博客为什么先介绍ThreadExecutorPool的原因；虽然这几种线程池区别已经一目了然，我们还是列举一下它们的特点：

方法	说明	缺点
newCachedThreadPool	初始不指定线程池大小，提交任务后就创建线程，每隔60s回收一下空闲线程	最大并发数不可控制：导致系统资源耗尽；不拒绝任务：存在OOM风险
newFixedThreadPool	指定固定大小线程池，不存在非核心线程，使用无界队列	无界队列：存在OOM风险
newScheduledThreadPool	在手动创建ThreadExecutorPool的基础上加了一个定期任务，例如给线程池提交了两个任务，设置10s运行一次这两个任务	需要注意ThreadExecutorPool参数
newSingleThreadExecutor	只有一个线程的线程池，使用无界队列	单线程略显单薄；无界队列：存在OOM风险
newWorkStealingPool	返回一个ForkJoinPool而不是ThreadExecutorPool对象，可以指定线程数，详情见下面ForkJoinPool描述	适用于大任务情况

• ForkJoinPool
  ForkJoinPool适用于大型任务，其核心是Fork和Join；Fork可以将一个大任务拆分为多个小的任务，Join会将多个小的任务的结果汇总达到最终运行效果。

举个例子：假设一个线程池中并发数控制在两个，但是每个任务都要运行1分钟；假设我们当前服务器有4个CPU，两个在处理任务，其他的则为空闲状态，这时剩下的两个空闲CPU资源是浪费的。
试想一下：如果们能使剩下的两个空闲的CPU也能利用起来处理上面两个任务，任务运行肯定会加快，这就是ForkJoinPool的设计出发点。

不要使用Executors

多数情况下，不推荐使用Executors，而推荐手动创建ThreadExecutorPool，因为Executors的五种实现方式有一下缺点：

• 要么不能控制并发：资源耗尽、OOM

• 要么不能设置等待队列大小：OOM

• 不能指定拒绝策略

线程池的相关方法

方法	说明
shutdown	关闭线程池，执行以前提交的任务，但是不接受新提交的任务
isTerminated	如果调用了shutdown，并且所有任务已经完成，则返回true，否则永远false
getActiveCount	线程池存货的数量
getQueue().size	等待队列大小
getPoolSize	线程池中当前线程数量
getLargestPoolSize	曾经有过的最大线程数量
getTaskCount	未完成的任务数量
getCompletedTaskCount	完成的任务数量

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