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深入理解 Java 多线程核心知识:跳槽面试必备

Java工程师-Distance
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发布于 04/16 16:05
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多线程相对于其他 Java 知识点来讲,有一定的学习门槛,并且了解起来比较费劲。在平时工作中如若使用不当会出现数据错乱、执行效率低(还不如单线程去运行)或者死锁程序挂掉等等问题,所以掌握了解多线程至关重要。

本文从基础概念开始到最后的并发模型由浅入深,讲解下线程方面的知识。

概念梳理

本节我将带大家了解多线程中几大基础概念。

并发与并行

并行,表示两个线程同时做事情。

并发,表示一会做这个事情,一会做另一个事情,存在着调度。单核 CPU 不可能存在并行(微观上)。

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。但是每一次,只能有一个线程使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源,就必须等待。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源,那么其它所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待,等待会导致线程挂起。这种情况就是阻塞。

此时,如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。阻塞是指线程在操作系统层面被挂起。阻塞一般性能不好,需大约8万个时钟周期来做调度。

非阻塞则允许多个线程同时进入临界区。

死锁

死锁是进程死锁的简称,是指多个进程循环等待他方占有的资源而无限的僵持下去的局面。

活锁

假设有两个线程1、2,它们都需要资源 A/B,假设1号线程占有了 A 资源,2号线程占有了 B 资源;由于两个线程都需要同时拥有这两个资源才可以工作,为了避免死锁,1号线程释放了 A 资源占有锁,2号线程释放了 B 资源占有锁;此时 AB 空闲,两个线程又同时抢锁,再次出现上述情况,此时发生了活锁。

简单类比,电梯遇到人,一个进的一个出的,对面占路,两个人同时往一个方向让路,来回重复,还是堵着路。

如果线上应用遇到了活锁问题,恭喜你中奖了,这类问题比较难排查。

饥饿

饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行。

线程的生命周期

在线程的生命周期中,它要经历创建、可运行、不可运行几种状态。

创建状态

当用 new 操作符创建一个新的线程对象时,该线程处于创建状态。

处于创建状态的线程只是一个空的线程对象,系统不为它分配资源。

可运行状态

执行线程的 start() 方法将为线程分配必须的系统资源,安排其运行,并调用线程体——run()方法,这样就使得该线程处于可运行状态(Runnable)。

这一状态并不是运行中状态(Running),因为线程也许实际上并未真正运行。

不可运行状态

当发生下列事件时,处于运行状态的线程会转入到不可运行状态:

  • 调用了 sleep() 方法;
  • 线程调用 wait() 方法等待特定条件的满足;
  • 线程输入/输出阻塞;
  • 返回可运行状态;
  • 处于睡眠状态的线程在指定的时间过去后;
  • 如果线程在等待某一条件,另一个对象必须通过 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待线程条件的改变;
  • 如果线程是因为输入输出阻塞,等待输入输出完成。

线程的优先级

线程优先级及设置

线程的优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程的调度,优先级高的线程将优先执行。一个线程的优先级设置遵从以下原则:

  • 线程创建时,子继承父的优先级;
  • 线程创建后,可通过调用 setPriority() 方法改变优先级;
  • 线程的优先级是1-10之间的正整数。

线程的调度策略

线程调度器选择优先级最高的线程运行。但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:

  • 线程体中调用了 yield() 方法,让出了对 CPU 的占用权;
  • 线程体中调用了 sleep() 方法,使线程进入睡眠状态;
  • 线程由于 I/O 操作而受阻塞;
  • 另一个更高优先级的线程出现;
  • 在支持时间片的系统中,该线程的时间片用完。

单线程创建方式

单线程创建方式比较简单,一般只有两种方式:继承 Thread 类和实现 Runnable 接口;这两种方式比较常用就不在 Demo 了,但是对于新手需要注意的问题有:

  • 不管是继承 Thread 类还是实现 Runable 接口,业务逻辑是写在 run 方法里面,线程启动的时候是执行 start() 方法;
  • 开启新的线程,不影响主线程的代码执行顺序也不会阻塞主线程的执行;
  • 新的线程和主线程的代码执行顺序是不能够保证先后的;
  • 对于多线程程序,从微观上来讲某一时刻只有一个线程在工作,多线程目的是让 CPU 忙起来;
  • 通过查看 Thread 的源码可以看到,Thread 类是实现了 Runnable 接口的,所以这两种本质上来讲是一个;

PS:平时在工作中也可以借鉴这种代码结构,对上层调用来讲提供更多的选择,作为服务提供方核心业务归一维护

为什么要用线程池

通过上面的介绍,完全可以开发一个多线程的程序,为什么还要引入线程池呢。主要是因为上述单线程方式存在以下几个问题:

  • 线程的工作周期:线程创建所需时间为 T1,线程执行任务所需时间为 T2,线程销毁所需时间为 T3,往往是 T1+T3 大于 T2,所有如果频繁创建线程会损耗过多额外的时间;
  • 如果有任务来了,再去创建线程的话效率比较低,如果从一个池子中可以直接获取可用的线程,那效率会有所提高。所以线程池省去了任务过来,要先创建线程再去执行的过程,节省了时间,提升了效率;
  • 线程池可以管理和控制线程,因为线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一的分配,调优和监控;
  • 线程池提供队列,存放缓冲等待执行的任务。

大致总结了上述的几个原因,所以可以得出一个结论就是在平时工作中,如果要开发多线程程序,尽量要使用线程池的方式来创建和管理线程。

通过线程池创建线程从调用 API 角度来说分为两种,一种是原生的线程池,另外该一种是通过 Java 提供的并发包来创建,后者比较简单,后者其实是对原生的线程池创建方式做了一次简化包装,让调用者使用起来更方便,但道理都是一样的。所以搞明白原生线程池的原理是非常重要的。

ThreadPoolExecutor

通过 ThreadPoolExecutor 创建线程池,API 如下所示:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue); 

先来解释下其中的参数含义(如果看的比较模糊可以大致有个印象,后面的图是关键)。

  • corePoolSize
  • 核心池的大小。

在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法,从这两个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建 corePoolSize 个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到 corePoolSize 后,就会把到达的任务放到缓存队列当中。

  • maximumPoolSize

线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程。

  • keepAliveTime

表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时,keepAliveTime 才会起作用,直到线程池中的线程数不大于 corePoolSize,即当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时,如果一个线程空闲的时间达到 keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过 corePoolSize。

但是如果调用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法,在线程池中的线程数不大于 corePoolSize 时,keepAliveTime 参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0。

  • unit

参数 keepAliveTime 的时间单位。

  • workQueue

一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下这几种选择:ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue。

  • threadFactory

线程工厂,主要用来创建线程。

  • handler

表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:

  1. ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常;
  2. ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常;
  3. ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程);
  4. ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务。

上面这些参数是如何配合工作的呢?请看下图:

注意图上面的序号。

简单总结下线程池之间的参数协作分为以下几步:

  1. 线程优先向 CorePool 中提交;
  2. 在 Corepool 满了之后,线程被提交到任务队列,等待线程池空闲;
  3. 在任务队列满了之后 corePool 还没有空闲,那么任务将被提交到 maxPool 中,如果 MaxPool 满了之后执行 task 拒绝策略。

流程图如下:

以上就是原生线程池创建的核心原理。除了原生线程池之外并发包还提供了简单的创建方式,上面也说了它们是对原生线程池的一种包装,可以让开发者简单快捷的创建所需要的线程池。

Executors

newSingleThreadExecutor

创建一个线程的线程池,在这个线程池中始终只有一个线程存在。如果线程池中的线程因为异常问题退出,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。

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。

newCachedThreadPool

可根据实际情况,调整线程数量的线程池,线程池中的线程数量不确定,如果有空闲线程会优先选择空闲线程,如果没有空闲线程并且此时有任务提交会创建新的线程。在正常开发中并不推荐这个线程池,因为在极端情况下,会因为 newCachedThreadPool 创建过多线程而耗尽 CPU 和内存资源。

newScheduledThreadPool

此线程池可以指定固定数量的线程来周期性的去执行。比如通过 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 来指定周期时间。

PS:另外在写定时任务时(如果不用 Quartz 框架),最好采用这种线程池来做,因为它可以保证里面始终是存在活的线程的。

推荐使用 ThreadPoolExecutor 方式

在阿里的 Java 开发手册时有一条是不推荐使用 Executors 去创建,而是推荐去使用 ThreadPoolExecutor 来创建线程池。

这样做的目的主要原因是:使用 Executors 创建线程池不会传入核心参数,而是采用的默认值,这样的话我们往往会忽略掉里面参数的含义,如果业务场景要求比较苛刻的话,存在资源耗尽的风险;另外采用 ThreadPoolExecutor 的方式可以让我们更加清楚地了解线程池的运行规则,不管是面试还是对技术成长都有莫大的好处。

改了变量,其他线程可以立即知道。保证可见性的方法有以下几种:

  • volatile

加入 volatile 关键字的变量在进行汇编时会多出一个 lock 前缀指令,这个前缀指令相当于一个内存屏障,内存屏障可以保证内存操作的顺序。当声明为 volatile 的变量进行写操作时,那么这个变量需要将数据写到主内存中。

由于处理器会实现缓存一致性协议,所以写到主内存后会导致其他处理器的缓存无效,也就是线程工作内存无效,需要从主内存中重新刷新数据。

我有一个微信公众号,经常会分享一些Java技术相关的干货;如果你喜欢我的分享,可以用微信搜索“Java团长”或者“javatuanzhang”关注。

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