线程多线程线程池详解

Posted 2021-04-06 软件工程之思

线程

• 进程就是在某种程度上相互隔离、独立运行的程序。和进程一样，线程在程序中是独立的、并发的执行路径，每个线程有它自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量。线程就是在进程中负责程序执行的执行单元，一个进程中至少有一个线程。

多线程

• 解决多个任务同时执行的需求，合理利用CPU的资源。

• 多线程的运行是根据CPU的切换来完成的，如何切换由CPU来完成，因此多线程运行具有不确定性。

线程池

在未引入线程池之前，我们使用线程时就去创建一个线程，这样实现起来非常方便，但是就会有一个问题：

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？

• 在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。

• 基本思想还是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多(未死亡)的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

1.创建线程的两种方式

①继承自Thread类，重写run()方法

class DemoThread extends Thread {    @Override
    public void run() {        super.run();
    }
}

DemoThread t = new DemoThread();
t.start();

继承Thread类，覆盖run()方法。
创建线程对象并用start()方法启动线程。

面试题
1）线程和进程有什么区别？
一个进程是一个独立(self contained)的运行环境，它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。线程是进程的子集，一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。不同的进程使用不同的内存空间，而所有的线程共享一片相同的内存空间。别把它和栈内存搞混，每个线程都拥有单独的栈内存用来存储本地数据。
2）Thread 类中的 start() 和 run() 方法有什么区别？
调用 start() 方法才会启动新线程；如果直接调用 Thread 的 run() 方法，它的行为就会和普通的方法一样；为了在新的线程中执行我们的代码，必须使用 Thread.start() 方法。

②实现Runnable接口，重写run()方法

面试题
1）用 Runnable 还是 Thread ？
我们都知道可以通过继承 Thread 类或者调用 Runnable 接口来实现线程，问题是创建线程哪种方式更好呢？什么情况下使用它？这个问题很容易回答，如果你知道Java不支持类的多重继承，但允许你调用多个接口。所以如果你要继承其他类，当然是调用Runnable接口更好了。
2）Runnable 和 Callable 有什么不同？
Runnable 和 Callable 都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable 从 JDK1.0 开始就有了，Callable 是在 JDK1.5 增加的。它们的主要区别是 Callable 的 call() 方法可以返回值和抛出异常，而 Runnable 的 run() 方法没有这些功能。Callable 可以返回装载有计算结果的 Future 对象。
Callable接口类似于Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是Runnable不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常。

2.多线程

多线程的概念很好理解就是多条线程同时存在，但要用好多线程确不容易，涉及到多线程间通信，多线程共用一个资源等诸多问题。

使用多线程的优缺点：
优点：
1）适当的提高程序的执行效率（多个线程同时执行）。
2）适当的提高了资源利用率（CPU、内存等）。
缺点：
1）占用一定的内存空间。
2）线程越多CPU的调度开销越大。
3）程序的复杂度会上升。

synchronized
同步块大家都比较熟悉，通过 synchronized 关键字来实现；所有加上 synchronized 的方法和块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够访问。

wait()、notify()、notifyAll()
这三个方法是 java.lang.Object 的 final native 方法，任何继承 java.lang.Object 的类都有这三个方法。它们是Java语言提供的实现线程间阻塞和控制进程内调度的底层机制，平时我们会很少用到的。

wait()：
导致线程进入等待状态，直到它被其他线程通过notify()或者notifyAll唤醒，该方法只能在同步方法中调用。

notify()：
随机选择一个在该对象上调用wait方法的线程，解除其阻塞状态，该方法只能在同步方法或同步块内部调用。

notifyAll()：
解除所有那些在该对象上调用wait方法的线程的阻塞状态，同样该方法只能在同步方法或同步块内部调用。

调用这三个方法中任意一个，当前线程必须是锁的持有者，如果不是会抛出一个 IllegalMonitorStateException 异常。

wait() 与 Thread.sleep(long time) 的区别
sleep()：在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行），该线程不丢失任何监视器的所属权，sleep() 是 Thread 类专属的静态方法，针对一个特定的线程。
wait() 方法使实体所处线程暂停执行，从而使对象进入等待状态，直到被 notify() 方法通知或者 wait() 的等待的时间到。sleep() 方法使持有的线程暂停运行，从而使线程进入休眠状态，直到用 interrupt 方法来打断他的休眠或者 sleep 的休眠的时间到。
wait() 方法进入等待状态时会释放同步锁，而 sleep() 方法不会释放同步锁。所以，当一个线程无限 sleep 时又没有任何人去 interrupt 它的时候，程序就产生大麻烦了，notify() 是用来通知线程，但在 notify() 之前线程是需要获得 lock 的。另个意思就是必须写在 synchronized(lockobj) {...} 之中。wait() 也是这个样子，一个线程需要释放某个 lock，也是在其获得 lock 情况下才能够释放，所以 wait() 也需要放在 synchronized(lockobj) {...} 之中。

volatile 关键字
volatile 是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。volatile 变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生。线程都会直接从内存中读取该变量并且不缓存它。这就确保了线程读取到的变量是同内存中是一致的。

ThreadLocal 变量
ThreadLocal 是Java里一种特殊的变量。每个线程都有一个 ThreadLocal 就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞争条件被彻底消除了。如果为每个线程提供一个自己独有的变量拷贝，将大大提高效率。首先，通过复用减少了代价高昂的对象的创建个数。其次，你在没有使用高代价的同步或者不变性的情况下获得了线程安全。

join() 方法
join() 方法定义在 Thread 类中，所以调用者必须是一个线程，join() 方法主要是让调用该方法的 Thread 完成 run() 方法里面的东西后，再执行 join() 方法后面的代码。

Thread.yield() 方法
Thread.sleep(long time)：线程暂时终止执行（睡眠）一定的时间。
Thread.yield()：线程放弃运行，将CPU的控制权让出。
这两个方法都会将当前运行线程的CPU控制权让出来，但 sleep() 方法在指定的睡眠时间内一定不会再得到运行机会，直到它的睡眠时间完成；而 yield() 方法让出控制权后，还有可能马上被系统的调度机制选中来运行，比如，执行yield()方法的线程优先级高于其他的线程，那么这个线程即使执行了 yield() 方法也可能不能起到让出CPU控制权的效果，因为它让出控制权后，进入排队队列，调度机制将从等待运行的线程队列中选出一个等级最高的线程来运行，那么它又（很可能）被选中来运行。

3.线程池

顶级接口  ：   Executor
子接口    ：    ExecutorService
实现类     ：    ThreadPoolExecutor
创建一个线程池：

ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();

普通类Executors 提供四种线程池：

1）newCachedThreadPool 是一个可根据需要创建新线程的线程池，但是在以前构造的线程可用时将重用它们。对于执行很多短期异步任务的程序而言，这些线程池通常可提高程序性能。调用 execute() 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。因此，长时间保持空闲的线程池不会使用任何资源。注意，可以使用 ThreadPoolExecutor 构造方法创建具有类似属性但细节不同（例如超时参数）的线程池。

2）newSingleThreadExecutor 创建是一个单线程池，也就是该线程池只有一个线程在工作，所有的任务是串行执行的，如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它，此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

3）newFixedThreadPool 创建固定大小的线程池，每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小，线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

4）newScheduledThreadPool 创建一个大小无限的线程池，此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

通过实现类 ThreadPoolExecutor 的构造函数，了解线程池相关参数的概念：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,                          TimeUnit unit,                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,                          ThreadFactory threadFactory) {    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, 
        threadFactory, defaultHandler);
}

1）corePoolSize：线程池的核心线程数，一般情况下不管有没有任务都会一直在线程池中一直存活，只有在 ThreadPoolExecutor 中的方法 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 设置为 true 时，闲置的核心线程会存在超时机制，如果在指定时间没有新任务来时，核心线程也会被终止，而这个时间间隔由第3个属性 keepAliveTime 指定。

2）maximumPoolSize：线程池所能容纳的最大线程数，当活动的线程数达到这个值后，后续的新任务将会被阻塞。

3）keepAliveTime：控制线程闲置时的超时时长，超过则终止该线程。一般情况下用于非核心线程，只有在 ThreadPoolExecutor 中的方法 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 设置为 true时，也作用于核心线程。

4）unit：用于指定 keepAliveTime 参数的时间单位，TimeUnit 是个 enum 枚举类型，常用的有：TimeUnit.HOURS(小时)、TimeUnit.MINUTES(分钟)、TimeUnit.SECONDS(秒) 和 TimeUnit.MILLISECONDS(毫秒)等。

5）workQueue：线程池的任务队列，通过线程池的 execute(Runnable command) 方法会将任务 Runnable 存储在队列中。

6）threadFactory：线程工厂，它是一个接口，用来为线程池创建新线程的。

线程池的关闭

ThreadPoolExecutor 提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是 shutdown() 和 shutdownNow()。

shutdown()：不会立即的终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务。
shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。

面试题
1）什么是 Executor 框架？
Executor框架在Java 5中被引入，Executor 框架是一个根据一组执行策略调用、调度、执行和控制的异步任务的框架。
无限制的创建线程会引起应用程序内存溢出，所以创建一个线程池是个更好的的解决方案，因为可以限制线程的数量并且可以回收再利用这些线程。利用 Executor 框架可以非常方便的创建一个线程池。
2）Executors 类是什么？
Executors为Executor、ExecutorService、ScheduledExecutorService、ThreadFactory 和 Callable 类提供了一些工具方法。Executors 可以用于方便的创建线程池。