java 多线程、线程池

作者: 汪梓文 | 来源:发表于2017-05-10 18:12 被阅读0次

概念：

原子性

原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。Java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

可见性（对与可见性的详细解释：http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/01/2429166.html）

可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就这这个操作同样存在线程安全问题。

什么是线程安全：
- 线程安全是指，同一段代码多条线程访问，不会产生不同的结果
并行和并发区别
- 并行是多条线程同时再赛跑。
- 并发是指同个资源，两者交替轮流使用资源。
Fifo（First In first Out）：
- Queue队列的特性就是先入先出
Filo（First ln Last Out）：
- stact栈的特性就是先入后出
CAS（Compare And Swap）:
- CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）
  简单的来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低

CAS的ABA问题

所谓 ，问题基本是这个样子：

进程P1在共享变量中读到值为A
P1被抢占了，进程P2执行
P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。
虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了。（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）

比如上述的DeQueue()函数，因为我们要让head和tail分开，所以我们引入了一个dummy指针给head，当我们做CAS的之前，如果head的那块内存被回收并被重用了，而重用的内存又被EnQueue()进来了，这会有很大的问题。（内存管理中重用内存基本上是一种很常见的行为）

这个例子你可能没有看懂，维基百科上给了一个活生生的例子——

你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。

一、Java线程池ThreadPoolExecutor -- 参数

corePoolSize：核心线程数
- 核心线程会一直存活，及时没有任务需要执行
- 当线程数小于核心线程数时，即使有线程空闲，线程池也会优先创建新线程处理
- 设置allowCoreThreadTimeout=true（默认false）时，核心线程会超时关闭
- 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2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
maxmumPoolSize : 最大线程数
- 当线程数>=corePoolSize，且任务队列已满时。线程池会创建新线程来处理任务
- 当线程数=maxPoolSize，且任务队列已满时，线程池会拒绝处理任务而抛出异常
keepAliveTime ：线程空闲时间
- 当线程空闲时间达到keepAliveTime时，线程会退出，直到线程数量=corePoolSize
- 如果allowCoreThreadTimeout=true，则会直到线程数量=0
- 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 ： keepAliveTime 时间单位

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

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：
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
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）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务
workQueue : 任务队列
- Queue：Queue中元素按Fifo原则进行排序
  - ConcurrentLinkedQueue : 非阻塞队列
    - Queue是一个安全实现
    - 使用CAS无锁编程，来保证数据的一致性

public class ConcurrentLinkedQueueTest {
    private static ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<Integer>();
    private static int count = 2; // 线程个数
    //CountDownLatch，一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。
    private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(count);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long timeStart = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        ConcurrentLinkedQueueTest.offer();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            es.submit(new Poll());
        }
        latch.await(); //使得主线程(main)阻塞直到latch.countDown()为零才继续执行
        System.out.println("cost time " + (System.currentTimeMillis() - timeStart) + "ms");
        es.shutdown();
    }

    /**
     * 生产
     */
    public static void offer() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            queue.offer(i);
        }
    }


    /**
     * 消费
     *
     * @author 林计钦
     * @version 1.0 2013-7-25 下午05:32:56
     */
    static class Poll implements Runnable {
        public void run() {
            // while (queue.size()>0) {
            while (!queue.isEmpty()) {
                System.out.println(queue.poll());
            }
            latch.countDown();
        }
    }
}

+ BlockingQueue：阻塞队列
  + LinkedBlockingQueue：实现是线程安全的，实现了先进先出的特性，是作为生产者消费者的首选
    + put：添加方法，在队列满的时候会阻塞
    + take : 读取方法，在队列为空的时候会阻塞，直到有成员被加

package com.example;  

import java.util.concurrent.*;
// LinkedBlockingQueue Demo
public class BlockingQueueTest {
    /**
     * 定义装苹果的篮子
     */
    public class Basket {
        // 篮子，能够容纳3个苹果
        BlockingQueue<String> basket = new LinkedBlockingQueue<String>(3);

        // 生产苹果，放入篮子
        public void produce() throws InterruptedException {
            // put方法放入一个苹果，若basket满了，等到basket有位置
            basket.put("An apple");
        }

        // 消费苹果，从篮子中取走
        public String consume() throws InterruptedException {
            // take方法取出一个苹果，若basket为空，等到basket有苹果为止(获取并移除此队列的头部)
            return basket.take();
        }
    }

    // 定义苹果生产者
    class Producer implements Runnable {
        private String instance;
        private Basket basket;

        public Producer(String instance, Basket basket) {
            this.instance = instance;
            this.basket = basket;
        }

        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    // 生产苹果
                    System.out.println("生产者准备生产苹果：" + instance);
                    basket.produce();
                    System.out.println("!生产者生产苹果完毕：" + instance);
                    // 休眠300ms
                    Thread.sleep(300);
                }
            } catch (InterruptedException ex) {
                System.out.println("Producer Interrupted");
            }
        }
    }

    // 定义苹果消费者
    class Consumer implements Runnable {
        private String instance;
        private Basket basket;

        public Consumer(String instance, Basket basket) {
            this.instance = instance;
            this.basket = basket;
        }

        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    // 消费苹果
                    System.out.println("消费者准备消费苹果：" + instance);
                    System.out.println(basket.consume());
                    System.out.println("!消费者消费苹果完毕：" + instance);
                    // 休眠1000ms
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException ex) {
                System.out.println("Consumer Interrupted");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueueTest test = new BlockingQueueTest();

        // 建立一个装苹果的篮子
        Basket basket = test.new Basket();

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        Producer producer = test.new Producer("生产者001", basket);
        Producer producer2 = test.new Producer("生产者002", basket);
        Consumer consumer = test.new Consumer("消费者001", basket);
        service.submit(producer);
        service.submit(producer2);
        service.submit(consumer);
        // 程序运行5s后，所有任务停止
//        try {
//            Thread.sleep(1000 * 5);
//        } catch (InterruptedException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
//        service.shutdownNow();
    }
}

二、Runnable And Callable
1、Runnable实现是Run方法，Callable实现是call方法
2、Callable的call方法可以有返回值使用Future接受返回值、Runnable的run方法没有返回值
3、Callable的call方法可以抛出异常、run方法无法捕获线程异常

三、Future AND CompletionService
1、用于接受Callable线程执行完成返回的结果

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

/**
 * 多线程执行，异步获取结果
 * 
 * @author i-clarechen
 *
 */
public class AsyncThread {

    public static void main(String[] args) {
        AsyncThread t = new AsyncThread();
        List<Future<String>> futureList = new ArrayList<Future<String>>();
        t.generate(3, futureList);
        t.doOtherThings();
        t.getResult(futureList);
    }

    /**
     * 生成指定数量的线程，都放入future数组
     * 
     * @param threadNum
     * @param fList
     */
    public void generate(int threadNum, List<Future<String>> fList) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(threadNum);
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            Future<String> f = service.submit(getJob(i));
            fList.add(f);
        }
        service.shutdown();
    }

    /**
     * other things
     */
    public void doOtherThings() {
        try {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println("do thing no:" + i);
                Thread.sleep(1000 * (new Random().nextInt(10)));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 从future中获取线程结果，打印结果
     * 
     * @param fList
     */
    public void getResult(List<Future<String>> fList) {
        ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();
        service.execute(getCollectJob(fList));
        service.shutdown();
    }

    /**
     * 生成指定序号的线程对象
     * 
     * @param i
     * @return
     */
    public Callable<String> getJob(final int i) {
        final int time = new Random().nextInt(10);
        return new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                Thread.sleep(1000 * time);
                return "thread-" + i;
            }
        };
    }

    /**
     * 生成结果收集线程对象
     * 
     * @param fList
     * @return
     */
    public Runnable getCollectJob(final List<Future<String>> fList) {
        return new Runnable() {
            public void run() {
                for (Future<String> future : fList) {
                    try {
                        while (true) {
                            if (future.isDone() && !future.isCancelled()) {
                                System.out.println("Future:" + future
                                        + ",Result:" + future.get());
                                break;
                            } else {
                                Thread.sleep(1000);
                            }
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
    }

}

结果

do thing no:0
do thing no:1
do thing no:2
Future:java.util.concurrent.FutureTask@68e1ca74,Result:thread-0
Future:java.util.concurrent.FutureTask@3fb2bb77,Result:thread-1
Future:java.util.concurrent.FutureTask@6f31a24c,Result:thread-2

2、使用误CompletionService实现非阻塞式Future

当向Executor提交批处理任务时，并且希望在它们完成后获得结果，如果用FutureTask，你可以循环获取task，并用future.get()去获取结果，但是如果这个task没有完成，你就得阻塞在这里，这个实效性不高，其实在很多场合，其实你拿第一个任务结果时，此时结果并没有生成并阻塞，其实在阻塞在第一个任务时，第二个task的任务已经早就完成了，显然这种情况用future task不合适的，效率也不高。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.CompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorCompletionService;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;


public class testCallable {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            completionServiceCount();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

  
    /**
     * 使用completionService收集callable结果
     * @throws ExecutionException 
     * @throws InterruptedException 
     */
    public static void completionServiceCount() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        CompletionService<Integer> completionService = new ExecutorCompletionService<Integer>(
                executorService);
        int threadNum = 5;
        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            completionService.submit(getTask(i));
        }
        int sum = 0;
        int temp = 0;
        for(int i=0;i<threadNum;i++){
            temp = completionService.take().get();
            sum += temp;
            System.out.print(temp + "\t");
        }
        System.out.println("CompletionService all is : " + sum);
        executorService.shutdown();
    }

    public static Callable<Integer> getTask(final int no) {
        final Random rand = new Random();
        Callable<Integer> task = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int time = rand.nextInt(100)*100;
                System.out.println("thead:"+no+" time is:"+time);
                Thread.sleep(time);
                return no;
            }
        };
        return task;
    }
}

结果：最先执行完成的线程先输出结果

thead:0 time is:4200
thead:1 time is:6900
thead:2 time is:2900
thead:3 time is:9000
thead:4 time is:7100
2    0    1    4    3    CompletionService all is : 10

java 多线程、线程池

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