多线程基础知识点梳理

基础概念

  1. 进程(process):进程是计算机中的一个任务,比如打开浏览器、IntelliJ IDEA。
  2. 线程(thread):进程内部有多个子任务,叫线程。比如IDEA在敲代码的同时还能自动保存、自动导包,都是子线程做的。

进程和线程的关系就是一个进程包含一个或多个线程。
线程是操作系统调度的最小任务单位。线程自己不能决定什么时候执行,由操作系统决定什么时候调度。因此多线程编程中,代码的先后顺序不代表代码的执行顺序。

多线程有什么好处?

  1. 提高应用程序的性能。异步编程让程序更快的响应。
  2. 提高CPU利用率。一个线程阻塞,另一个线程继续执行,充分利用CPU。

同时多线程也会带来安全问题,比如多个线程读写一个共享变量,会出现数据不一致的问题。

什么时候考虑用多线程?

  1. 高并发。系统在同一时间要处理多个任务时,需要用多线程。
  2. 很耗时的操作。如文件读写,异步执行不让进程阻塞。
  3. 不影响方法主流程逻辑,但又影响接口性能的操作,如数据同步,使用异步方式能提高接口性能。

创建线程的方式

多线程的创建方法基本有四种:

  • 继承Thread
  • 实现Runnalble接口
  • 实现Callable接口
  • 线程池

1.继承Thread类

public class ThreadTest extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新线程开始...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTest t = new ThreadTest();
	    t.start();
        System.out.println("main线程结束...");
    }
}
main线程结束...
新线程开始...

启动一个新线程总是调用它的start()方法,而不是run()方法;ThreadTest子线程启动后,它跟main就开始同时运行了,谁先执行谁后执行由操作系统调度。所以多线程代码的执行顺序跟代码顺序无关。

2.实现Runnable接口

实现Runnable接口,重写run()方法,作为构造器参数传给Thread,调用start()方法启动线程。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread r = new RunnableThread();
        new Thread(r).start();
        new Thread(r).start();
    }
}

class RunnableThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新线程开始...");
    }
}

一般推荐使用实现Runnable的方式来创建新线程,它的优点有:

  1. Java中只有单继承,接口则可以多实现。如果一个类已经有父类,它就不能再继承Thread类了,继承了Thread类就不能再继承其他类,有局限性。实现Runnable接口则没有局限性。
  2. 实现Runnable接口的类具有共享数据的特性,它可以同时作为多个线程的执行单位(target),此时多个线程操作的是同一个对象的run方法,这个对象所有变量在这几个线程间是共享的。而继承Thread的方式做不到,比如A extends Thread,每次启动线程都是new A().start(),每次的A对象都不同。

3. 实现Callable接口

Callable区别于Runnable接口的点在于,Callable的方法有返回值,还能抛出异常。

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

Callable的用法:

  • 配合FutureTask一起使用,FutureTaskRunnableFuture接口的典型实现,RunnableFuture接口从名字来看,它同时具有RunnableFuture接口的的能力。FutureTask提供2个构造器,同时支持Callable方式和Runnable方式的任务。FutureTask可作为任务传给Thread的构造器。
  • 使用线程池时,调用ExecutorService#submit方法,返回一个Future对象。
  • Future对象的get()方法能返回异步执行的结果。调用get()方法时,如果异步任务已经完成,就直接返回结果。如果异步任务还没完成,那么get()方法会阻塞,一直等待任务完成才返回结果,这一点也是FutureTask的缺点。

CallableFutureTask一起使用的例子:

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建Callable接口实现类的对象
        CallableThread sumThread = new CallableThread();

        // 创建FutureTask对象
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(sumThread);

        // 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread对象,并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            // 获取Callable中call方法的返回值
            Integer sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为" + sum);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("main线程结束");
    }
}

class CallableThread implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        Thread.sleep(2000); // 等待2s验证futureTask.get()是否等待
        return sum;
    }
}
总和为5050
main线程结束

在JDK源码中可看到get()方法执行时,会判断线程状态如果是未完成,会进入一个无限循环,直到任务完成才返回执行结果。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING) // 如果未完成,则等待完成
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
    // ...
    for (; ; ) { // 无线循环,直到任务完成
        // ...
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
	// ...
    }
}

Future和FutureTask

使用Callable接口前,需要了解FutureFutureTask

在Java并发编程中,Future接口代表着异步计算结果。它定义的方法有:

  • get():获取结果,任务未完成前会一直等待,直到完成;
  • get(long timeout, TimeUnit unit):获取结果,但只等待指定的时间;添加超时时间可以让调用线程及时释放,不会死等;
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning):取消当前任务;mayInterruptIfRunning的作用是,如果任务在执行中,这时取消任务,如果mayInterruptIfRunningtrue就中断,否则不中断。
  • isCancelled():任务在执行完成前被取消,返回true,否则返回false
  • isDone():判断任务是否已完成。任务完成包括:正常完成、抛出异常而完成、任务被取消。

FutureTask作为Future的实现类,也有局限性。比如get()方法会阻塞调用线程;不能将多个异步计算结果合并到一起等等,针对这些局限,Java8提供了CompletableFuture

4.线程池

下面我将围绕这几个问题,来讨论一下线程池。

  1. 线程池是什么?
  2. 为什么使用线程池,或者说使用线程池的好处是什么?
  3. 线程池怎么使用?
  4. 线程池的原理是什么,它怎么做到重复利用线程的?

线程池是什么

线程池(Thread Pool)是一种基于池化思想的管理线程的工具,它内部维护了多个线程,目的是能重复利用线程,控制并发量,降低线程创建及销毁的资源消耗,提升程序稳定性。

为什么使用线程池

使用线程池的好处:

  1. 降低资源消耗:重复利用已创建的线程,降低线程创建和销毁造成的损耗。
  2. 提高响应速度:任务到达时,无需等待线程创建即可立即执行。
  3. 提高线程的可管理性:线程是稀缺资源,如果无限制创建,不仅会消耗系统资源,还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡,降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

线程池解决的核心问题就是资源管理问题,在并发场景下,系统不能够确定在任意时刻,有多少任务需要执行,有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题:

  1. 频繁申请/销毁资源和调度资源,将带来额外的消耗,可能非常巨大。
  2. 对资源无限申请缺少抑制手段,易引发系统资源耗尽的风险。
  3. 系统无法合理管理内部的资源分布,会降低系统的稳定性。

线程池这种基于池化思想的技术就是为了解决这类问题。

线程池怎么使用

线程池的的核心实现类是ThreadPoolExecutor,调用execute或者submit方法即可开启一个子任务。

public class ThreadPoolTest {

    private static ThreadPoolExecutor poolExecutor =
            new ThreadPoolExecutor(1, 1, 5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1));

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Runnable runnableTask = () -> System.out.println("runnable task end");
        poolExecutor.execute(runnableTask);

        Callable<String> callableTask = () -> "callable task end";
        Future<String> future = poolExecutor.submit(callableTask);
        System.out.println(future.get());
    }
}

ThreadPoolExecutor的核心构造器有7个参数,我们来分析一下每个参数的含义:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
	// 省略...
}
  • corePoolSize:线程池的核心线程数。线程池中的线程数小于corePoolSize时,直接创建新的线程来执行任务。
  • workQueue:阻塞队列。当线程池中的线程数超过corePoolSize,新任务会被放到队列中,等待执行。
  • maximumPoolSize:线程池的最大线程数量。
  • keepAliveTime:非核心线程空闲时的存活时间。非核心线程即workQueue满了之后,再提交任务时创建的线程。非核心线程如果空闲了,超过keepAliveTime后会被回收。
  • unitkeepAliveTime的时间单位。
  • threadFactory:创建线程的工厂。默认的线程工厂会把提交的任务包装成一个新的任务。
  • handler:拒绝策略。当线程池的workQueue已满且线程数达到最大线程数时,新提交的任务执行对应的拒绝策略。

JDK也提供了一个快速创建线程池的工具类Executors,它提供了多种创建线程池的方法,但通常不建议使用Executors来创建线程池,因为它提供的很多工具方法,要么使用的阻塞队列没有设置边界,要么是没有设置最大线程的上限。任务一多容易发生OOM。实际开发应该根据业务自定义线程池。

线程池的原理

execute

线程池的核心运行机制在于execute方法,所有的任务调度都是通过execute方法完成的。

public void execute(Runnable command) {
    // ...
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // (1)
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // (2)
        int recheck = ctl.get();
        // 重新检查状态,如果是非运行状态,接着执行队列删除操作,然后执行拒绝策略
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果是因为remove(command)删除队列元素失败,再判断池中线程数量
        // 如果池中线程数为0则新增一个任务为null的非核心线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false)) // (3)
        reject(command);
}

透过execute方法的3个if判断,可以把它的逻辑梳理为3个部分:

  1. 第一个if:如果线程数量小于核心线程数,则创建一个线程来执行新提交的任务。
  2. 第二个if:如果线程数量大于等于核心线程数,则将任务添加到该阻塞队列中。
  3. else if:线程池状态不对,或者添加到队列失败即队列满了,则创建一个非核心线程执行新提交的任务。如果非核心线程创建失败就执行拒绝策略。
addWorker

execute中的核心逻辑要看addWoker方法,它承担了核心线程和非核心线程的创建。addWorker方法前半部分代码用一个双重for循环确保线程池状态正确,后半部分的逻辑是创建一个线程对象Worker,开启新线程执行任务的过程。

Worker是对提交进来的线程的封装,创建的worker会被添加到一个HashSet,线程池中的线程都维护在这个名为workersHashSet中并被线程池所管理。

前面说到,Worker本身也是一个线程对象,它实现了Runnable接口,在addWorker中会启动一个新的任务,所以我们要看它的run方法,而run方法的核心逻辑是runWorker方法。

final void runWorker(Worker w) {
    // ...
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // ...
            try {
                try {
                    task.run(); // 执行普通的run方法
                } finally {
                    task = null; // task置空
                }
            }
        }
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 回收空闲线程
    }
}

可以看到runWorker方法中有一个while循环,循环执行task的run方法,这里的task就是提交到线程池的任务,它对当成了普通的对象,执行完task.run(),最后会把task设置为null

再看循环的条件,已知task是有可能为空的,所以我们再看看(task = getTask()) != null这个条件,如果getTask() == null则跳出循环执行processWorkerExit方法,processWorkerExit方法的作用是回收空闲线程。

getTask

很多答案都在getTask()方法中。

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (; ; ) { // (1)
        // 校验线程池状态的代码,先省略...
        
        int wc = workerCountOf(c);

        // Are workers subject to culling?
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // (2)

        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 线程数减1
                return null; // 这里时终端外层while循环的时机
            continue;
        }

        try {
            Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take(); // (3)
            if (r != null)
                return r; // 取到值了就在外层的while循环中执行任务
            timedOut = true; // 否则就标记为获取队列任务超时
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

结合(1)、(3)这两个地方可以看出,getTask()方法是一个无限循环,不断从阻塞队列中取任务,取到了任务就返回,到外层runWorker方法中,执行这个任务的run方法,即线程池通过启动一个Worker子线程来执行提交进来的任务,并且一个Worker线程会执行多个任务

我们再看看getTask()何时返回null,因为返回null才可以看下一步的processWorkerExit方法。

getTask()返回null主要看timed && timedOut这个条件。变量值timedtrue的条件是:允许核心线程超时或者线程数大于核心线程数。timedOut变量为true的条件是从workQueue为空了,取不到任务了,但是这个前提是timed == true,执行workQueue.poll的时候,因为workQueue.poll方法获取任务最多等待keepAliveTime的时间,超过这个时间获取不到就返回null,而workQueue.take()方法获取不到任务会一直等待!

因此,在核心线程不会超时的情况下,如果池中的线程数小于核心线程数,这个getTask()会一直循环下去,这就是在这种情况下线程池不会自动关闭的原因!反之,在核心线程不会超时的情况下,如果池中的线程数超过核心线程数,才会对多余的线程回收。如果allowCoreThreadTimeOut == true,即核心线程也能超时,当阻塞队列为空,所有Worker线程都会被回收。

ThreadPoolExecutor的注释说,当池中没有剩余线程,线程池会自动关闭。

A pool that is no longer referenced in a program AND has no remaining threads will be shutdown automatically

但我也没找到证据,没看到哪里显式调用shutdown(),但确实会自动关闭。

processWorkerExit

getTask()获取不到任务后,会执行processWorkerExit方法回收线程。在这里,Worker线程集合随机删除一个线程对象,然后再随机中断一个workers中的线程。可见线程销毁线程的方式时删除线程引用,让JVM自动回收。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // ...
    try {
        workers.remove(w);
    }
    // 调用interrupt()方法中断线程,一次中断一个
    tryTerminate();
    // ...
}
线程池原理总结

最后我们回到最初的问题,线程池的原理是什么,线程池怎么做到重复利用线程的?

线程池通过维护一组叫Worker的线程对象来处理任务。在线程数不超过核心线程数的情况下,一个任务对应一个Worker线程,超过核心线程数,新的任务会提交到阻塞队列。一个Worker线程在启动后,除了执行第一次任务之外,还会不断向阻塞队列中消费任务。如果队列里没任务了,Worker线程会一直轮询,不会退出;只有在池中线程数超过核心线程数时才退出轮询,然后回收多余的空闲线程。即一个Worker线程会处理多个任务,且Worker线程受线程池管理,不会随意回收。

线程池的拒绝策略

拒绝策略的目的是保护线程池,避免无节制新增任务。JDK使用RejectedExecutionHandler接口代表拒绝策略,并提供了4个实现类。线程池的默认拒绝策略是AbortPolicy,丢弃任务并抛出异常。实际开发中用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略。

线程的状态

  • New:新创建的线程,尚未执行;
  • Runnable:运行中的线程,正在执行run()方法的Java代码;
  • Blocked:运行中的线程,因为某些操作被阻塞而挂起;
  • Waiting:运行中的线程,因为某些操作在等待中;
  • Timed Waiting:运行中的线程,因为执行sleep()方法正在计时等待;
  • Terminated:线程已终止,因为run()方法执行完毕。

当线程启动后,它可以在RunnableBlockedWaitingTimed Waiting这几个状态之间切换,直到最后变成Terminated状态,线程终止。

线程终止的原因有:

  • 线程正常终止:run()方法执行到return语句返回;
  • 线程意外终止:run()方法因为未捕获的异常导致线程终止;
  • 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止(过时方法,不推荐使用)。

Thread类的常用方法

  • start():启动当前线程
  • currentThread():返回当前代码执行的线程
  • yield(): 释放当前CPU的执行权
  • join()join()方法可以让其他线程等待,直到自己执行完了,其他线程才继续执行。
  • setDaemon(boolean on):设置守护线程,也叫后台线程。JVM退出时,不必关心守护线程是否已结束。
  • interrupt():中断线程。
  • sleep(long millis):让线程睡眠指定的毫秒数,在指定时间内,线程是阻塞状态
  • isAlive():判断当前线程是否存活。
public class ThreadJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}
start
hello
end

volatile

线程间共享变量需要使用volatile关键字标记,确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明?这涉及到Java的内存模型(JMM)。


类变量、实例变量是共享变量,方法局部变量是私有变量。 共享变量的值保存在主内存中,每个线程都有自己工作内存。

在Java虚拟机中,共享变量的值保存在主内存中,但是,当线程访问变量时,它会先获取一个副本,并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值,虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存,但是,这个时间是不确定的!

这会导致如果一个线程更新了某个变量,另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如,主内存的变量a = true,线程1执行a = false时,它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false,主内存的变量a还是true,在JVM把修改后的a回写到主内存之前,其他线程读取到的a的值仍然是true,这就造成了多线程之间共享的变量不一致。

因此,volatile关键字的目的是告诉虚拟机:

  • 每次访问变量时,总是获取主内存的最新值;
  • 每次修改变量后,立刻回写到主内存。

volatile关键字解决的是可见性问题:当一个线程修改了某个共享变量的值,其他线程能够立刻看到修改后的值。

但是volatile不能保证原子性,原子性问题需要根据实际情况做同步处理。

线程同步

什么叫线程同步?对于多线程的程序来说,同步指的是在一定的时间内只允许某一个线程访问某个资源。

在Java中,最常见的方法是用synchronized关键字实现同步效果。

synchronized

synchronized可以修饰实例方法、静态方法、代码块。

synchronized的底层是使用操作系统的互斥锁(mutex lock)实现的,它的特点是保证内存可见性、操作原子性。

  • 内存可见性:可见性的原理还要回到Java内存模型(上面JMM的那张图)。 synchronized上锁时,会清空工作内存中变量的值,去主内存中获取该变量的值;解锁时,会把工作内存中变量的值同步回主内存中
  • 操作原子性:持有同一个锁的两个同步块只能串行地执行。

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是,它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外,加锁和解锁需要消耗一定的时间,所以,synchronized会降低程序的执行效率。

不需要synchronized的操作

JVM规范定义了几种原子操作:

  • 基本类型(longdouble除外)赋值,例如:int n = 1
  • 引用类型赋值,例如:List list = anotherList

longdouble是64位(8字节)数据,在32位和64位操作系统上是不一样的。JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作,不过在x64平台的JVM是把longdouble的赋值作为原子操作实现的。

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