java多线程的杂谈

Posted 2021-04-21 漫谈Java架构

java的多线程的概念，向来都是很复杂、笼统、抽象的。现实世界只有将知识点抽象过后才能有效的传播，但是传播的过程中，只有将抽象的知识点具象化，我们才能习得。所以我们会将个别内容点进行一个具象化进而解剖。当我们理解完了之后最终将其抽象成一个个名词：多线程、资源、锁等。

本文仅从以下的范围内容来谈谈java的多线程。

何为线程，线程的作用

资源的控制，锁的介绍

线程池的作用

多线程的常用工具和方法

1.何为线程

1.1.线程的定义

官方解释： 线程是一个单一的顺序控制流程 。

线程分主线程、子线程。由主线程来创建子线程来执行各种任务。

举例说明：以动漫“火影忍者”举例说明，主线程就好比每一个忍者，他们构成了最基本的忍者世界，一个忍者可以按照任务的缓急、难易程度同时执行多个任务。同时忍者也能分身（调用自身查克拉）来分担自身的任务，这就好比，忍者世界观中的忍者主体，基本等同于程序中的主线程。主线程没了，分身则主观上不可控，就消失了。

由上图可见，主线程与子线程的关系和忍者与分身的是很相似，也就是说，主线程能做的事，我们都能让子线程帮我们做。忍者自己能做的事也能去靠分身去做。接下来，我们来看两段代码。

//代码一publicstaticvoidmain(String[] args){        System.out.println("Hello World!");    }复制代码

//代码二publicstaticvoidmain(String[] args){        Thread thread =newThread(()->{            System.out.println("Hello World!");        });        thread.start();    }复制代码

代码一和代码二最终的结果都是只做了一件事，向控制台输出“Hello World!”。但是代码一是由主线程去做的；代码二是由主线程创建的子线程去做的。这里我们可以看出，主线程和子线程的本质上区分并不大，因为它们都执行相同的逻辑，这一点上并没有进行区分。

1.2.多线程的作用

程序如果都是按照单个线程的话，那么所有任务的执行均是按照顺序来进行（串行执行）。

而多线程的作用是 可以安排不同的线程执行不同的任务 。

上图是一个理论值，我们在某些任务密集的场景下，多线程的执行效率多数情况下 可能 高于单线程的执行。

为什么说是 可能 ，因为这里创建子线程是会消耗性能的，也带有时间消耗，如果设置不合理，单单创建子线程的时间成本就远大于执行任务的时间成本，这一点要结合实际场景进行考虑。

举例说明：火影里的忍者也不会接到一批任务就马上分身去一个个的做，他们也得结合任务的实际情况来考虑使用分身。

1.3.关于线程的小结

线程可以执行正确的逻辑代码

线程的创建也伴随着性能消耗， 并不是无消耗

2.资源的控制

java中的资源可以理解为， 一个实例或基础数据类型的变量的任何操作 。实例或变量在这里不能完全算做资源，因为根据面向对象编程中的封装性，代码中直接将实例暴露出来给非本类的实例进行操作是一个大忌。

这里我们从以下资源和线程的关系进行解剖。

一个线程可以执行多个资源（串行）

多个线程可以执行多个资源（并行）

单个资源可以被一个线程执行（串线）

单个资源可以被多个线程执行（并行）

从这里看，1和3没什么问题。因为这种机制下我们确保了一个资源被一个线程执行（等同于一个任务被一个忍者（本体或分身均可）执行）。但是2和4就出现了一个现象，同一个资源被多个线程所操作，如果不加以控制，则会出现指定之外的执行结果或者直接产生死锁。

举例说明：两个忍者都执行了同一个任务，去杀死邻国的头目，我们假设忍者A过去杀死了头目，忍者B后去的，发现头目死了，那他接下来怎么办？算任务失败还是算完成了？

当然忍者B最后肯定还是回去复命了，也算他任务成功，这是任务本身的规则和秩序所决定的，但是 程序的世界是无秩序，需要程序员通过代码去打造这个无序的世界从而形成秩序 。

资源自身一定要包含约束性和规则性才能被正确的使用。

2.1.常见的控制方式

java本身提供了资源被多个线程调度的控制方式。

synchronized关键字

Atomic包

ReentrantLock

Semaphore

CountDownLatch

CyclicBarrier

Phaser

我们通过一张图表来概况了解一下。

对于资源的控制的方式无非就是一个“ 锁 ” 字。现实当中到处充斥着这样的例子，例如一个城市的市长，按照规定只能有一个，谁上任，那么市长这个资源位就被谁“锁”住了。但是程序世界中的“锁”和现实世界中的“锁”差别很大。

现实世界的锁，是可见，它控制着某一样可见的物体，比如：门、箱子等，而再由这些具有隔绝性质的物体去控制级别更高的资源，例如：门里的东西、箱子里的钱。也就是说现实世界的锁是间接的控制资源。

程序世界里的锁，则是一种更为高级的抽象，它包含的对资源的各种维度的控制，我们可以将其理解为“规则”，比如：某类资源在同一时刻只能有一个线程进行操作（同步性）、某类资源必须由多个线程同时操作（同步协作）、某类资源最多只能有N个线程进行操作（资源调度许可证）。这些都是“规则”的运用。

2.2.锁的种类

java中有关于锁的内容非常多，我们这里先用一张图来简要介绍一下，以后再着重篇幅去介绍每个锁的相关特性。

2.3.关于资源的小结

任何实例对外提供的方法（尽量避免对变量的直接操作）

我们需要在对外提供的方法内用“锁”去控制方法内的被调度的规则。

实行第二条之前一定要确定当前的编程环境，是单线程的还是多线程

3.线程池

用一段话形容线程和资源的关系那就是。 某个人（ 线程 ）去做（  调度 ）某件有要求和规则（  锁策略 ）的事（  资源 ）；根据这件事（  资源 ）的要求和规则（  锁策略 ）去约束做这个事人（  线程 ）的做法 。

我们用各种锁策略去保证资源能被正确的使用。这里我们还缺一个角度，那就是从线程的角度去调度资源。

我们用一个问题开头来展开对话。

问：我们能根据资源的数量去创建线程的数量吗？

答：不能，因为创建线程的开销大，受机器的配置的限制。

问：那么能不能创建一定数量的线程，去循环的调度资源。

答：这么做是可以的，但是资源数一般来说肯定是多于线程数，我们要控制资源的调度顺序，还未来得及调度的资源可以按先来后到原则存放到队列。

问：那资源数少于线程数时候，该怎么样去处理。

答：我们可以保留一定量的线程，为未来可能调度的资源做预备。

这就是一个线程池的雏形，线程池的雏形具有以下的基本特性

具有最大的线程数限制

有若干常备线程（核心线程）

资源数若多超过了最大线程数的限制则会放入队列中。

我们来解刨线程池的最全的配置信息：

corePoolSize：核心线程数

maximumPoolSize：最大的线程数

keepAliveTime：无资源调度的线程回收的时间（默认单位：毫秒）

TimeUnit：时间单位

BlockingQueue：多余的资源放入的队列

ThreadFactory：线程的工厂类

RejectedExecutionHandler：线程池调度资源的策略

按照我们常规的设置

BlockingQueue > maximumPoolSize ≥ corePoolSize

corePoolSize会随着资源调度数增加至maximumPoolSize

当线程空闲时，会根据keepAliveTime来回收线程数（maximumPoolSize-corePoolSize）

BlockingQueue分无界Queue和有界Queue。

当资源调度大于maximumPoolSize时会放入BlockingQueue中

当BlockingQueue是有界队列则存入

当BlockingQueue是无界队列则根据策略调整

当资源调度数大于BlockingQueue的长度，则根据RejectedExecutionHandler的策略来调整资源调度情况。

AbortPolicy：默认策略，舍弃最新的资源调度，并抛出异常

DiscardPolicy：舍弃最新的资源调度，不会有异常

DiscardOldestPolicy：舍弃在队列中队头的资源

CallerRunsPolicy：交由主线程去执行（ 慎用 ）

自定义拒绝策略：实现RejectedExecutionHandler接口，编写特殊业务的拒绝策略。

总结：线程池就是多个线程来调度多个资源时所优化的一种多维度的策略，它的核心就是线程的复用以及资源的缓冲存储。