Java 多線程核心知識是什么

本篇內(nèi)容主要講解“Java 多線程核心知識是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Java 多線程核心知識是什么”吧!

多線程相對于其他 Java 知識點來講，有一定的學(xué)習(xí)門檻，并且了解起來比較費勁。在平時工作中如若使用不當(dāng)會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯亂、執(zhí)行效率低（還不如單線程去運行）或者死鎖程序掛掉等等問題，所以掌握了解多線程至關(guān)重要。

本文從基礎(chǔ)概念開始到最后的并發(fā)模型由淺入深，講解下線程方面的知識。

概念梳理

本節(jié)我將帶大家了解多線程中幾大基礎(chǔ)概念。

并發(fā)與并行

并行，表示兩個線程同時做事情。

并發(fā)，表示一會做這個事情，一會做另一個事情，存在著調(diào)度。單核 CPU 不可能存在并行（微觀上）。

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臨界區(qū)

臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說是共享數(shù)據(jù)，可以被多個線程使用。但是每一次，只能有一個線程使用它，一旦臨界區(qū)資源被占用，其他線程要想使用這個資源，就必須等待。

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活鎖

假設(shè)有兩個線程1、2，它們都需要資源 A/B，假設(shè)1號線程占有了 A 資源，2號線程占有了 B 資源；由于兩個線程都需要同時擁有這兩個資源才可以工作，為了避免死鎖，1號線程釋放了 A 資源占有鎖，2號線程釋放了 B 資源占有鎖；此時 AB 空閑，兩個線程又同時搶鎖，再次出現(xiàn)上述情況，此時發(fā)生了活鎖。

簡單類比，電梯遇到人，一個進的一個出的，對面占路，兩個人同時往一個方向讓路，來回重復(fù)，還是堵著路。

如果線上應(yīng)用遇到了活鎖問題，恭喜你中獎了，這類問題比較難排查。

饑餓

饑餓是指某一個或者多個線程因為種種原因無法獲得所需要的資源，導(dǎo)致一直無法執(zhí)行。

線程的生命周期

在線程的生命周期中，它要經(jīng)歷創(chuàng)建、可運行、不可運行幾種狀態(tài)。

創(chuàng)建狀態(tài)

當(dāng)用 new 操作符創(chuàng)建一個新的線程對象時，該線程處于創(chuàng)建狀態(tài)。

處于創(chuàng)建狀態(tài)的線程只是一個空的線程對象，系統(tǒng)不為它分配資源。

可運行狀態(tài)

執(zhí)行線程的 start() 方法將為線程分配必須的系統(tǒng)資源，安排其運行，并調(diào)用線程體——run()方法，這樣就使得該線程處于可運行狀態(tài)（Runnable）。

這一狀態(tài)并不是運行中狀態(tài)（Running），因為線程也許實際上并未真正運行。

不可運行狀態(tài)

當(dāng)發(fā)生下列事件時，處于運行狀態(tài)的線程會轉(zhuǎn)入到不可運行狀態(tài)：

• 調(diào)用了 sleep() 方法；

• 線程調(diào)用 wait() 方法等待特定條件的滿足；

• 線程輸入/輸出阻塞；

• 返回可運行狀態(tài)；

• 處于睡眠狀態(tài)的線程在指定的時間過去后；

• 如果線程在等待某一條件，另一個對象必須通過 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待線程條件的改變；

• 如果線程是因為輸入輸出阻塞，等待輸入輸出完成。

線程的優(yōu)先級

線程優(yōu)先級及設(shè)置

線程的優(yōu)先級是為了在多線程環(huán)境中便于系統(tǒng)對線程的調(diào)度，優(yōu)先級高的線程將優(yōu)先執(zhí)行。一個線程的優(yōu)先級設(shè)置遵從以下原則：

• 線程創(chuàng)建時，子繼承父的優(yōu)先級；

• 線程創(chuàng)建后，可通過調(diào)用 setPriority() 方法改變優(yōu)先級；

• 線程的優(yōu)先級是1-10之間的正整數(shù)。

線程的調(diào)度策略

線程調(diào)度器選擇優(yōu)先級最高的線程運行。但是，如果發(fā)生以下情況，就會終止線程的運行：

• 線程體中調(diào)用了 yield() 方法，讓出了對 CPU 的占用權(quán)；

• 線程體中調(diào)用了 sleep() 方法，使線程進入睡眠狀態(tài)；

• 線程由于 I/O 操作而受阻塞；

• 另一個更高優(yōu)先級的線程出現(xiàn)；

• 在支持時間片的系統(tǒng)中，該線程的時間片用完。

單線程創(chuàng)建方式

單線程創(chuàng)建方式比較簡單，一般只有兩種方式：繼承 Thread 類和實現(xiàn) Runnable 接口；這兩種方式比較常用就不在 Demo 了，但是對于新手需要注意的問題有：

• 不管是繼承 Thread 類還是實現(xiàn) Runable 接口，業(yè)務(wù)邏輯是寫在 run 方法里面，線程啟動的時候是執(zhí)行 start() 方法；

• 開啟新的線程，不影響主線程的代碼執(zhí)行順序也不會阻塞主線程的執(zhí)行；

• 新的線程和主線程的代碼執(zhí)行順序是不能夠保證先后的；

• 對于多線程程序，從微觀上來講某一時刻只有一個線程在工作，多線程目的是讓 CPU 忙起來；

• 通過查看 Thread 的源碼可以看到，Thread 類是實現(xiàn)了 Runnable 接口的，所以這兩種本質(zhì)上來講是一個；

PS：平時在工作中也可以借鑒這種代碼結(jié)構(gòu)，對上層調(diào)用來講提供更多的選擇，作為服務(wù)提供方核心業(yè)務(wù)歸一維護

為什么要用線程池

通過上面的介紹，完全可以開發(fā)一個多線程的程序，為什么還要引入線程池呢。主要是因為上述單線程方式存在以下幾個問題：

• 線程的工作周期：線程創(chuàng)建所需時間為 T1，線程執(zhí)行任務(wù)所需時間為 T2，線程銷毀所需時間為 T3，往往是 T1+T3 大于 T2，所有如果頻繁創(chuàng)建線程會損耗過多額外的時間；

• 如果有任務(wù)來了，再去創(chuàng)建線程的話效率比較低，如果從一個池子中可以直接獲取可用的線程，那效率會有所提高。所以線程池省去了任務(wù)過來，要先創(chuàng)建線程再去執(zhí)行的過程，節(jié)省了時間，提升了效率；

• 線程池可以管理和控制線程，因為線程是稀缺資源，如果無限制的創(chuàng)建，不僅會消耗系統(tǒng)資源，還會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用線程池可以進行統(tǒng)一的分配，調(diào)優(yōu)和監(jiān)控；

• 線程池提供隊列，存放緩沖等待執(zhí)行的任務(wù)。

大致總結(jié)了上述的幾個原因，所以可以得出一個結(jié)論就是在平時工作中，如果要開發(fā)多線程程序，盡量要使用線程池的方式來創(chuàng)建和管理線程。

通過線程池創(chuàng)建線程從調(diào)用 API 角度來說分為兩種，一種是原生的線程池，另外該一種是通過 Java 提供的并發(fā)包來創(chuàng)建，后者比較簡單，后者其實是對原生的線程池創(chuàng)建方式做了一次簡化包裝，讓調(diào)用者使用起來更方便，但道理都是一樣的。所以搞明白原生線程池的原理是非常重要的。

ThreadPoolExecutor

通過 ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建線程池，API 如下所示：

/**
     * public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,
     *                           TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue)
     * corePoolSize用于指定核心線程數(shù)量
     * maximumPoolSize指定最大線程數(shù)
     * keepAliveTime和TimeUnit指定線程空閑后的最大存活時間
     * workQueue則是線程池的緩沖隊列,還未執(zhí)行的線程會在隊列中等待
     * 監(jiān)控隊列長度，確保隊列有界
     * 不當(dāng)?shù)木€程池大小會使得處理速度變慢，穩(wěn)定性下降，并且導(dǎo)致內(nèi)存泄露。如果配置的線程過少，則隊列會持續(xù)變大，消耗過多內(nèi)存。
     * 而過多的線程又會 由于頻繁的上下文切換導(dǎo)致整個系統(tǒng)的速度變緩——殊途而同歸。隊列的長度至關(guān)重要，它必須得是有界的，這樣如果線程池不堪重負了它可以暫時拒絕掉新的請求。
     * ExecutorService 默認(rèn)的實現(xiàn)是一個無界的 LinkedBlockingQueue。
     */
    private ThreadPoolExecutor executor  = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, corePoolSize+1, 10l, TimeUnit.SECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1000));

先來解釋下其中的參數(shù)含義（如果看的比較模糊可以大致有個印象，后面的圖是關(guān)鍵）。

• corePoolSize

• 核心池的大小。

在創(chuàng)建了線程池后，默認(rèn)情況下，線程池中并沒有任何線程，而是等待有任務(wù)到來才創(chuàng)建線程去執(zhí)行任務(wù)，除非調(diào)用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，從這兩個方法的名字就可以看出，是預(yù)創(chuàng)建線程的意思，即在沒有任務(wù)到來之前就創(chuàng)建 corePoolSize 個線程或者一個線程。默認(rèn)情況下，在創(chuàng)建了線程池后，線程池中的線程數(shù)為0，當(dāng)有任務(wù)來之后，就會創(chuàng)建一個線程去執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)線程池中的線程數(shù)目達到 corePoolSize 后，就會把到達的任務(wù)放到緩存隊列當(dāng)中。

• maximumPoolSize

線程池最大線程數(shù)，這個參數(shù)也是一個非常重要的參數(shù)，它表示在線程池中最多能創(chuàng)建多少個線程。

• keepAliveTime

表示線程沒有任務(wù)執(zhí)行時最多保持多久時間會終止。默認(rèn)情況下，只有當(dāng)線程池中的線程數(shù)大于 corePoolSize 時，keepAliveTime 才會起作用，直到線程池中的線程數(shù)不大于 corePoolSize，即當(dāng)線程池中的線程數(shù)大于 corePoolSize 時，如果一個線程空閑的時間達到 keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數(shù)不超過 corePoolSize。

但是如果調(diào)用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，在線程池中的線程數(shù)不大于 corePoolSize 時，keepAliveTime 參數(shù)也會起作用，直到線程池中的線程數(shù)為0。

• unit

參數(shù) keepAliveTime 的時間單位。

• workQueue

一個阻塞隊列，用來存儲等待執(zhí)行的任務(wù)，這個參數(shù)的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產(chǎn)生重大影響，一般來說，這里的阻塞隊列有以下這幾種選擇：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue。

• threadFactory

線程工廠，主要用來創(chuàng)建線程。

• handler

表示當(dāng)拒絕處理任務(wù)時的策略，有以下四種取值：

1. ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丟棄任務(wù)并拋出 RejectedExecutionException 異常；

2. ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務(wù)，但是不拋出異常；

3. ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務(wù)，然后重新嘗試執(zhí)行任務(wù)（重復(fù)此過程）；

4. ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調(diào)用線程處理該任務(wù)。

上面這些參數(shù)是如何配合工作的呢？請看下圖：

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以上就是原生線程池創(chuàng)建的核心原理。除了原生線程池之外并發(fā)包還提供了簡單的創(chuàng)建方式，上面也說了它們是對原生線程池的一種包裝，可以讓開發(fā)者簡單快捷的創(chuàng)建所需要的線程池。

Executors

newSingleThreadExecutor

創(chuàng)建一個線程的線程池，在這個線程池中始終只有一個線程存在。如果線程池中的線程因為異常問題退出，那么會有一個新的線程來替代它。此線程池保證所有任務(wù)的執(zhí)行順序按照任務(wù)的提交順序執(zhí)行。

newFixedThreadPool

創(chuàng)建固定大小的線程池。每次提交一個任務(wù)就創(chuàng)建一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個線程因為執(zhí)行異常而結(jié)束，那么線程池會補充一個新線程。

newCachedThreadPool

可根據(jù)實際情況，調(diào)整線程數(shù)量的線程池，線程池中的線程數(shù)量不確定，如果有空閑線程會優(yōu)先選擇空閑線程，如果沒有空閑線程并且此時有任務(wù)提交會創(chuàng)建新的線程。在正常開發(fā)中并不推薦這個線程池，因為在極端情況下，會因為 newCachedThreadPool 創(chuàng)建過多線程而耗盡 CPU 和內(nèi)存資源。

newScheduledThreadPool

此線程池可以指定固定數(shù)量的線程來周期性的去執(zhí)行。比如通過 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 來指定周期時間。

PS：另外在寫定時任務(wù)時（如果不用 Quartz 框架），最好采用這種線程池來做，因為它可以保證里面始終是存在活的線程的。

推薦使用 ThreadPoolExecutor 方式

在阿里的 Java 開發(fā)手冊時有一條是不推薦使用 Executors 去創(chuàng)建，而是推薦去使用 ThreadPoolExecutor 來創(chuàng)建線程池。

這樣做的目的主要原因是：使用 Executors 創(chuàng)建線程池不會傳入核心參數(shù)，而是采用的默認(rèn)值，這樣的話我們往往會忽略掉里面參數(shù)的含義，如果業(yè)務(wù)場景要求比較苛刻的話，存在資源耗盡的風(fēng)險；另外采用 ThreadPoolExecutor 的方式可以讓我們更加清楚地了解線程池的運行規(guī)則，不管是面試還是對技術(shù)成長都有莫大的好處。

改了變量，其他線程可以立即知道。保證可見性的方法有以下幾種：

• volatile

加入 volatile 關(guān)鍵字的變量在進行匯編時會多出一個 lock 前綴指令，這個前綴指令相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障可以保證內(nèi)存操作的順序。當(dāng)聲明為 volatile 的變量進行寫操作時，那么這個變量需要將數(shù)據(jù)寫到主內(nèi)存中。

由于處理器會實現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，所以寫到主內(nèi)存后會導(dǎo)致其他處理器的緩存無效，也就是線程工作內(nèi)存無效，需要從主內(nèi)存中重新刷新數(shù)據(jù)。

到此，相信大家對“Java 多線程核心知識是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！