Java-9.28

其他 2020-10-15 23:02:35 阅读次数: 0

基础线程机制

Executor
Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。
主要有三种 Executor：

  • CachedThreadPool：一个任务创建一个线程；
  • FixedThreadPool：所有任务只能使用固定大小的线程；
  • SingleThreadExecutor：相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。
public static void main(String[] args) {
    
    
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
    
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}

补充：
new Thread的弊端：

  • 每次new Thread新建对象性能差。
  • 线程缺乏统一管理，可能无限制新建线程，相互之间竞争，及可能占用过多系统资源导致死机或oom。
  • 缺乏更多功能，如定时执行、定期执行、线程中断。

相比new Thread，Java提供的四种线程池的好处在于：

  • 重用存在的线程，减少对象创建、消亡的开销，性能佳。
  • 可有效控制最大并发线程数，提高系统资源的使用率，同时避免过多资源竞争，避免堵塞。
  • 提供定时执行、定期执行、单线程、并发数控制等功能。

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：

  • newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
  • newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
  • newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
  • newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

接下来讲讲newCachedThreadPool的用法（lambda表达式方法）：
若在线程中不需要使用其他对象的方法，可以如下使用：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
    
    
    	System.out.println("没有使用其他对象");
});

若在线程中需要使用其他对象的方法，或者说功能已经封装在其他对象的方法中，可以如下使用：

public class A {
    
    
        public void func() {
    
    
            System.out.println("A-func");
        }
}

A a = new A();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> a.func());

Daemon
守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。
当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。
main() 属于非守护线程。
在线程启动之前使用 setDaemon() 方法可以将一个线程设置为守护线程。

public static void main(String[] args) {
    
    
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
}

sleep()
Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。
sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    
    
    try {
    
    
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
    
    
        e.printStackTrace();
    }
}

yield()
对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

public void run() {
    
    
    Thread.yield();
}

中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。
InterruptedException
通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。
对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

public class InterruptExample {
    
    

    private static class MyThread1 extends Thread {
    
    
        @Override
        public void run() {
    
    
            try {
    
    
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
    at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

interrupted()
如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。
但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。

public class InterruptExample {
    
    

    private static class MyThread2 extends Thread {
    
    
        @Override
        public void run() {
    
    
            while (!interrupted()) {
    
    
                // ..
            }
            System.out.println("Thread end");
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
    Thread thread2 = new MyThread2();
    thread2.start();
    thread2.interrupt();
}

Thread end

Executor 的中断操作
调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。
以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

public static void main(String[] args) {
    
    
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
    
    
        try {
    
    
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Thread run");
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    });
    executorService.shutdownNow();
    System.out.println("Main run");
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
    at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    
    
    // ..
});
future.cancel(true);

互斥同步

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock。
synchronized

  1. 同步一个代码块
public void func() {
    
    
    synchronized (this) {
    
    
        // ...
    }
}

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。
对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {
    
    

    public void func1() {
    
    
        synchronized (this) {
    
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    
    
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    
    
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
  1. 同步一个方法
public synchronized void func () {
    
    
    // ...
}

它和同步代码块一样，作用于同一个对象。

  1. 同步一个类
public void func() {
    
    
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
    
    
        // ...
    }
}

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {
    
    

    public void func2() {
    
    
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
    
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    
    
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
  1. 同步一个静态方法
public synchronized static void fun() {
    
    
    // ...
}

作用于整个类。

ReentrantLock
ReentrantLock 是 java.util.concurrent（J.U.C）包中的锁。

public class LockExample {
    
    

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void func() {
    
    
        lock.lock();
        try {
    
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
    
    
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    
    
    LockExample lockExample = new LockExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

比较

  1. 锁的实现：synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。
  2. 性能：新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。
  3. 等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。
    ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。
  4. 公平锁：公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。
    synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。
  5. 锁绑定多个条件：一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

**使用选择：**除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

线程之间的协作

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调。
join()
在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。
对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。
wait() notify() notifyAll()
调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。
它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。
只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateException。
使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

public class WaitNotifyExample {
    
    

    public synchronized void before() {
    
    
        System.out.println("before");
        notifyAll();
    }

    public synchronized void after() {
    
    
        try {
    
    
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    
    
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}

before
after

wait() 和 sleep() 的区别：

  • wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
  • wait() 会释放锁，sleep() 不会。

线程状态

一个线程只能处于一种状态，并且这里的线程状态特指 Java 虚拟机的线程状态，不能反映线程在特定操作系统下的状态。
新建（NEW）
创建后尚未启动。
可运行（RUNABLE）
正在 Java 虚拟机中运行。但是在操作系统层面，它可能处于运行状态，也可能等待资源调度（例如处理器资源），资源调度完成就进入运行状态。所以该状态的可运行是指可以被运行，具体有没有运行要看底层操作系统的资源调度。
阻塞（BLOCKED）
请求获取 monitor lock 从而进入 synchronized 函数或者代码块，但是其它线程已经占用了该 monitor lock，所以出于阻塞状态。要结束该状态进入从而 RUNABLE 需要其他线程释放 monitor lock。
无限期等待（WAITING）
等待其它线程显式地唤醒。
阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取 monitor lock。而等待是主动的，通过调用 Object.wait() 等方法进入。

进入方法 退出方法
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 Object.notify() / Object.notifyAll()
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 被调用的线程执行完毕
LockSupport.park() 方法 LockSupport.unpark(Thread)

限期等待（TIMED_WAITING）
无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

进入方法 退出方法
Thread.sleep() 方法 时间结束
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 时间结束 / 被调用的线程执行完毕
LockSupport.parkNanos() 方法 LockSupport.unpark(Thread)
LockSupport.parkUntil() 方法 LockSupport.unpark(Thread)

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

死亡（TERMINATED）
可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。

J.U.C - AQS

java.util.concurrent（J.U.C）大大提高了并发性能，AQS 被认为是 J.U.C 的核心。
CountDownLatch
用来控制一个或者多个线程等待多个线程。
维护了一个计数器 cnt，每次调用 countDown() 方法会让计数器的值减 1，减到 0 的时候，那些因为调用 await() 方法而在等待的线程就会被唤醒。
在这里插入图片描述

public class CountdownLatchExample {
    
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
        final int totalThread = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(totalThread);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < totalThread; i++) {
    
    
            executorService.execute(() -> {
    
    
                System.out.print("run..");
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println("end");
        executorService.shutdown();
    }
}

run..run..run..run..run..run..run..run..run..run..end

Java CountDownLatch应用：
Java的concurrent包里面的CountDownLatch其实可以把它看作一个计数器，只不过这个计数器的操作是原子操作，同时只能有一个线程去操作这个计数器，也就是同时只能有一个线程去减这个计数器里面的值。
你可以向CountDownLatch对象设置一个初始的数字作为计数值，任何调用这个对象上的await()方法都会阻塞，直到这个计数器的计数值被其他的线程减为0为止。
CountDownLatch的一个非常典型的应用场景是：有一个任务想要往下执行，但必须要等到其他的任务执行完毕后才可以继续往下执行。假如我们这个想要继续往下执行的任务调用一个CountDownLatch对象的await()方法，其他的任务执行完自己的任务后调用同一个CountDownLatch对象上的countDown()方法，这个调用await()方法的任务将一直阻塞等待，直到这个CountDownLatch对象的计数值减到0为止。
举个例子，有三个工人在为老板干活，这个老板有一个习惯，就是当三个工人把一天的活都干完了的时候，他就来检查所有工人所干的活。记住这个条件：三个工人先全部干完活，老板才检查。所以在这里用Java代码设计两个类，Worker代表工人，Boss代表老板，具体的代码实现如下：
Worker类：

package org.zapldy.concurrent;  
  
import java.util.Random;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
import java.util.concurrent.TimeUnit;  
  
public class Worker implements Runnable{
    
      
      
    private CountDownLatch downLatch;  
    private String name;  
      
    public Worker(CountDownLatch downLatch, String name){
    
      
        this.downLatch = downLatch;  
        this.name = name;  
    }  
      
    public void run() {
    
      
        this.doWork();  
        try{
    
      
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));  
        }catch(InterruptedException ie){
    
      
        }  
        System.out.println(this.name + "活干完了！");  
        this.downLatch.countDown();  
          
    }  
      
    private void doWork(){
    
      
        System.out.println(this.name + "正在干活!");  
    }  
      
}

Boss类：

package org.zapldy.concurrent;  
  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  
public class Boss implements Runnable {
    
      
  
    private CountDownLatch downLatch;  
      
    public Boss(CountDownLatch downLatch){
    
      
        this.downLatch = downLatch;  
    }  
      
    public void run() {
    
      
        System.out.println("老板正在等所有的工人干完活......");  
        try {
    
      
            this.downLatch.await();  
        } catch (InterruptedException e) {
    
      
        }  
        System.out.println("工人活都干完了，老板开始检查了！");  
    }  
  
}

测试类：

package org.zapldy.concurrent;  
  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
  
public class CountDownLatchDemo {
    
      
  
    public static void main(String[] args) {
    
      
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();  
          
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);  
          
        Worker w1 = new Worker(latch,"张三");  
        Worker w2 = new Worker(latch,"李四");  
        Worker w3 = new Worker(latch,"王二");  
          
        Boss boss = new Boss(latch);  
          
        executor.execute(w3);  
        executor.execute(w2);  
        executor.execute(w1);  
        executor.execute(boss);  
          
        executor.shutdown();  
    }  
  
}

当你运行CountDownLatchDemo这个对象的时候，你会发现是等所有的工人都干完了活，老板才来检查，下面是我本地机器上运行的一次结果，可以肯定的每次运行的结果可能与下面不一样，但老板检查永远是在后面的。

王二正在干活!  
李四正在干活!  
老板正在等所有的工人干完活......  
张三正在干活!  
张三活干完了！  
王二活干完了！  
李四活干完了！  
工人活都干完了，老板开始检查了！

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转载自blog.csdn.net/Desperate_gh/article/details/108842878
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