线程与线程池

作者: 繁星追逐 | 来源:发表于2019-08-06 17:09 被阅读0次

线程的两种创建方式：继承Thread类或者实现Runnable接口，Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。
Runnable实现的接口需要通过new Thread(当前类实例)来获得线程。

基于线程池的方式
线程和数据库连接这些资源都是非常宝贵的资源。那么每次需要的时候创建，不需要的时候销毁，是非常浪费资源的。那么我们就可以使用缓存的策略，也就是使用线程池。

image.png

线程池原理：

每一个 Thread 的类都有一个 start 方法。当调用start启动线程时Java虚拟机会调用该类的 run 方法。那么该类的 run() 方法中就是调用了 Runnable 对象的 run() 方法。我们可以继承重写 Thread 类，在其 start 方法中添加不断循环调用传递过来的 Runnable 对象。这就是线程池的实现原理。循环方法中不断获取 Runnable 是用 Queue 实现的，在获取下一个 Runnable 之前可以是阻塞的。

一般的线程池主要分为以下4个组成部分：

线程池管理器：用于创建并管理线程池
工作线程：线程池中的线程
任务接口：每个任务必须实现的接口，用于工作线程调度其运行
任务队列：用于存放待处理的任务，提供一种缓冲机制

四种线程池
1，newCachedThreadPool:
根据需要创建新线程，以前构造的线程可用时，将重用他们，如果线程不可用，则创建一个新线程添加到池子中，那些超过60秒没有被启用的旧线程将被从缓存中移除。
2，newFixedThreadPool:
创建可重用固定线程数量的线程池，以共享的无界队列来运行这些线程。如果所有线程处于活动状态提交附加任务时，则在有可用线程之前要在队列中等待。线程被显示关闭之前，线程在池中一直存在。
3，newScheduledThreadPool:
创建一个线程池，它可安排在延迟后运行或者定期的执行。
4，newSingleThreadExecutor:
一个线程池同时只有一个线程，线程死后或者发生异常会重新启动一个线程来代替工作。

线程生命周期(状态)
当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，它要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞 (Blocked)和死亡(Dead)5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换
4.1. 新建状态（NEW）当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值
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4.2. 就绪状态（RUNNABLE）：当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行。
4.3. 运行状态（RUNNING）：如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态。
4.4. 阻塞状态（BLOCKED）：阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了cpu 使用权，也即让出了cpu timeslice，暂时停止运行。直到线程进入可运行(runnable)状态，才有机会再次获得cpu timeslice 转到运行(running)状态。阻塞的情况分三种：
等待阻塞 （ o.wait-> 等待对列）：
运行(running)的线程执行o.wait()方法，JVM会把该线程放入等待队列(waitting queue) 中。
同步阻塞 (lock-> 锁池 ) 运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中。
其他阻塞 (sleep/join) 运行(running)的线程执行Thread.sleep(long ms)或t.join()方法，或者发出了I/O请求时， JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O 处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态。
线程的join方法，其实就是让调用线程等待。线程结束，调用线程即结束。
4.5. 线程死亡（DEAD）线程会以下面三种方式结束，结束后就是死亡状态。
正常结束

run()或call()方法执行完成，线程正常结束。
异常结束
线程抛出一个未捕获的Exception或Error。
调用 stop 3. 直接调用该线程的stop()方法来结束该线程—该方法通常容易导致死锁，不推荐使用。

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线程终止的四种方式：
1，正常运行结束
2，使用退出标志退出，，使用了一个 Java 关键字 volatile，这个关键字的目的是使 exit 同步
3，Interrupt方法结束线程，注意该方法结束线程是通过捕获InterruptedException异常之后通过break来跳出循环，才能正常结束run方法。
4，stop方法终止线程，原因在于stop创建子线程的线程会抛出 ThreadDeatherror 的错误，并且会释放线程所持有的所有锁，保护数据可能出现不一致性，导致其他未知的错误

sleep和wait的区别：

对于sleep()方法，我们首先要知道该方法是属于Thread类中的。而wait()方法，则是属于 Object类中的。
sleep()方法导致了程序暂停执行指定的时间，让出cpu该其他线程，但是他的监控状态依然保持者，当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。
在调用sleep()方法的过程中，线程不会释放对象锁。
4.而当调用wait()方法的时候，线程会放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象调用notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。

java后台进程，即守护线程，为用户线程提供公共服务。
通过 setDaemon(true)来设置线程为“守护线程”；将一个用户线程设置为守护线程的方式是在线程对象创建之前用线程对象的setDaemon方法
与系统同生共死，当jvm中所有线程都是守护线程时，jvm会退出。生命周期不与tomcat中的web应用同步，经典的守护线程比如垃圾回收线程。

线程池常见的面试题：

经典面试题

面试问题1：Java的线程池说一下，各个参数的作用，如何进行的?
面试问题2：按线程池内部机制，当提交新任务时，有哪些异常要考虑。
面试问题3：线程池都有哪几种工作队列？
面试问题4：使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？
面试问题5：说说几种常见的线程池及使用场景?

线程池概念

线程池：简单理解，它就是一个管理线程的池子。

它帮我们管理线程，避免增加创建线程和销毁线程的资源损耗。因为线程其实也是一个对象，创建一个对象，需要经过类加载过程，销毁一个对象，需要走GC垃圾回收流程，都是需要资源开销的。
提高响应速度。如果任务到达了，相对于从线程池拿线程，重新去创建一条线程执行，速度肯定慢很多。
重复利用。线程用完，再放回池子，可以达到重复利用的效果，节省资源。

线程池的创建

线程池可以通过ThreadPoolExecutor来创建，我们来看一下它的构造函数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
   BlockingQueue<Runnable> workQueue,
   ThreadFactory threadFactory,
   RejectedExecutionHandler handler)

几个核心参数的作用：

corePoolSize：线程池核心线程数最大值
maximumPoolSize：线程池最大线程数大小
keepAliveTime：线程池中非核心线程空闲的存活时间大小
unit：线程空闲存活时间单位
workQueue：存放任务的阻塞队列
threadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以给创建的线程设置有意义的名字，可方便排查问题。
handler：线城池的饱和策略事件，主要有四种类型。

任务执行

线程池执行流程，即对应execute()方法：

任务执行

线程池执行流程，即对应execute()方法：

image

提交一个任务，线程池里存活的核心线程数小于线程数corePoolSize时，线程池会创建一个核心线程去处理提交的任务。
如果线程池核心线程数已满，即线程数已经等于corePoolSize，一个新提交的任务，会被放进任务队列workQueue排队等待执行。
当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了,并且任务队列workQueue也满，判断线程数是否达到maximumPoolSize，即最大线程数是否已满，如果没到达，创建一个非核心线程执行提交的任务。

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如果当前的线程数达到了maximumPoolSize，还有新的任务过来的话，直接采用拒绝策略处理。

四种拒绝策略

AbortPolicy(抛出一个异常，默认的)
DiscardPolicy(直接丢弃任务)
DiscardOldestPolicy（丢弃队列里最老的任务，将当前这个任务继续提交给线程池）
CallerRunsPolicy（交给线程池调用所在的线程进行处理)

线程池异常处理

在使用线程池处理任务的时候，任务代码可能抛出RuntimeException，抛出异常后，线程池可能捕获它，也可能创建一个新的线程来代替异常的线程，我们可能无法感知任务出现了异常，因此我们需要考虑线程池异常情况。

当提交新任务时，异常如何处理?
1，线程的异常处理，我们可以直接try...catch捕获。
2，submit执行的任务，可以通过Future对象的get方法接收抛出的异常，再进行处理。我们再通过一个demo，看一下Future对象的get方法处理异常的姿势，如下图：

image

3，为工作者线程设置UncaughtExceptionHandler，在uncaughtException方法中处理异常。

image
4，重写ThreadPoolExecutor的afterExecute方法，处理传递的异常引用

class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    // 这可是jdk文档里面给的例子。。
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        super.afterExecute(r, t);
        if (t == null && r instanceof Future<?>) {
            try {
                Object result = ((Future<?>) r).get();
            } catch (CancellationException ce) {
                t = ce;
            } catch (ExecutionException ee) {
                t = ee.getCause();
            } catch (InterruptedException ie) {
                Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset
            }
        }
        if (t != null)
            System.out.println(t);
    }
}}

因此，被问到线程池异常处理，如何回答？

image

线程池的工作队列

线程池都有哪几种工作队列？

ArrayBlockingQueue
LinkedBlockingQueue
DelayQueue
PriorityBlockingQueue
SynchronousQueue

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue（有界队列）是一个用数组实现的有界阻塞队列，按FIFO排序量。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue（可设置容量队列）基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，容量可以选择进行设置，不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene；newFixedThreadPool线程池使用了这个队列。
而 LinkedBlockingQueue 之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。

DelayQueue

DelayQueue（延迟队列）是一个任务定时周期的延迟执行的队列。根据指定的执行时间从小到大排序，否则根据插入到队列的先后排序。newScheduledThreadPool线程池使用了这个队列。

缓存系统的设计：可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
定时任务调度：使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从 DelayQueue 中获取到任务就开始执行，从比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue（优先级队列）是具有优先级的无界阻塞队列；默认情况下元素采取自然顺序升序排列。可以自定义实现 compareTo()方法来指定元素进行排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue 时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

SynchronousQueue

SynchronousQueue（同步队列）一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene，newCachedThreadPool线程池使用了这个队列。

针对面试题：线程池都有哪几种工作队列？我觉得，回答以上几种ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，SynchronousQueue等，说出它们的特点，并结合使用到对应队列的常用线程池(如newFixedThreadPool线程池使用LinkedBlockingQueue)，进行展开阐述，就可以啦。

几种常用的线程池

newFixedThreadPool (固定数目线程的线程池)
newCachedThreadPool(可缓存线程的线程池)
newSingleThreadExecutor(单线程的线程池)
newScheduledThreadPool(定时及周期执行的线程池)

newFixedThreadPool


public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

线程池特点：

核心线程数和最大线程数大小一样
没有所谓的非空闲时间，即keepAliveTime为0
阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

image

  ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
                    for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                        executor.execute(()->{
                            try {
                                Thread.sleep(10000);
                            } catch (InterruptedException e) {
                                //do nothing
                            }
            });

因此，面试题：使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？

答案：会的，newFixedThreadPool使用了无界的阻塞队列LinkedBlockingQueue，如果线程获取一个任务后，任务的执行时间比较长(比如，上面demo设置了10秒)，会导致队列的任务越积越多，导致机器内存使用不停飙升，最终导致OOM。

使用场景
FixedThreadPool 适用于处理CPU密集型的任务，确保CPU在长期被工作线程使用的情况下，尽可能的少的分配线程，即适用执行长期的任务。

newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

线程池特点：

核心线程数为0
最大线程数为Integer.MAX_VALUE
阻塞队列是SynchronousQueue
非核心线程空闲存活时间为60秒

当提交任务的速度大于处理任务的速度时，每次提交一个任务，就必然会创建一个线程。极端情况下会创建过多的线程，耗尽 CPU 和内存资源。由于空闲 60 秒的线程会被终止，长时间保持空闲的 CachedThreadPool 不会占用任何资源。

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提交任务
因为没有核心线程，所以任务直接加到SynchronousQueue队列。
判断是否有空闲线程，如果有，就去取出任务执行。
如果没有空闲线程，就新建一个线程执行。
执行完任务的线程，还可以存活60秒，如果在这期间，接到任务，可以继续活下去；否则，被销毁。

 ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
            });
        }

image

使用场景
用于并发执行大量短期的小任务。

newScheduledThreadPool

 public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

线程池特点

最大线程数为Integer.MAX_VALUE
阻塞队列是DelayedWorkQueue
keepAliveTime为0
scheduleAtFixedRate() ：按某种速率周期执行
scheduleWithFixedDelay()：在某个延迟后执行

工作机制
添加一个任务
线程池中的线程从 DelayQueue 中取任务
线程从 DelayQueue 中获取 time 大于等于当前时间的task
执行完后修改这个 task 的 time 为下次被执行的时间
这个 task 放回DelayQueue队列中

 /**
    创建一个给定初始延迟的间隔性的任务，之后的下次执行时间是上一次任务从执行到结束所需要的时间+* 给定的间隔时间
    */
    ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(()->{
            System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
        }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

image

使用场景

周期性执行任务的场景，需要限制线程数量的场景

newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                    threadFactory));
    }

线程池特点

核心线程数为1
最大线程数也为1
阻塞队列是LinkedBlockingQueue
keepAliveTime为0

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提交任务
线程池是否有一条线程在，如果没有，新建线程执行任务
如果有，讲任务加到阻塞队列
当前的唯一线程，从队列取任务，执行完一个，再继续取，一个人（一条线程）夜以继日地干活。

 ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    executor.execute(() -> {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                    });
        }

image

使用场景
适用于串行执行任务的场景，一个任务一个任务地执行。

回到面试题：说说几种常见的线程池及使用场景？
回答这四种经典线程池：newFixedThreadPool，newSingleThreadExecutor，newCachedThreadPool，newScheduledThreadPool，分线程池特点，工作机制，使用场景分开描述，再分析可能存在的问题，比如newFixedThreadPool内存飙升问题即可

线程池状态

线程池有这几个状态：RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED。

//线程池状态
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
线程池各个状态切换图：

image

RUNNING

该状态的线程池会接收新任务，并处理阻塞队列中的任务;
调用线程池的shutdown()方法，可以切换到SHUTDOWN状态;
调用线程池的shutdownNow()方法，可以切换到STOP状态;

SHUTDOWN

该状态的线程池不会接收新任务，但会处理阻塞队列中的任务；
队列为空，并且线程池中执行的任务也为空,进入TIDYING状态;

STOP

该状态的线程不会接收新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，而且会中断正在运行的任务；
线程池中执行的任务为空,进入TIDYING状态;

TIDYING

该状态表明所有的任务已经运行终止，记录的任务数量为0。
terminated()执行完毕，进入TERMINATED状态

TERMINATED

该状态表示线程池彻底终止

线程与线程池

线程池原理：

线程池常见的面试题：

线程池概念

任务执行

线程池执行流程，即对应execute()方法：

任务执行

线程池执行流程，即对应execute()方法：

线程池都有哪几种工作队列？

几种常用的线程池

newFixedThreadPool

newCachedThreadPool

newScheduledThreadPool

newSingleThreadExecutor

线程池状态

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