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并发与多线程

大纲

线程的状态:

NEW: 线程被创建出来但是还没有执行的时候是NEW 状态

RUNNABLE: 调用了线程的start 方法之后, 真正进入运行之前的状态. start 方法不能多次被调用,否则抛出 IllegalStateException

RUNNING: run方法在执行过程当中的状态.

BLOCKED: 线程进入阻塞状态: 锁被其他线程占用; 主动阻塞: Thread.sleep() / join() 等; 等待阻塞: Object.wait()

DEAD: run 方法执行完毕. 或线程因异常退出.

并发 (Concurrency) 与 并行 (Parallelism)

Concurrency - 在一个 CPU 上面按照 CPU 时间片执行不同的线程中的代码,称为并发

Parallelism - 多个 CPU 并行执行多个任务

Callable / Future

  • Callable / Future 需要配合 ThreadPoolExecutor 来使用
  • Callable 是一个接口, 并且带有泛型参数, 其中有一个 call 方法, 返回值就是 Callable 指定的泛型类型.
  • 当往 ThreadPoolExecutor 上 submit 一个 callable 之后会返回一个 Future 对象, callable 的 call 方法会被调用
  • Future调用 get 方法会阻塞调用线程, 直到该 Future 对应的线程已经返回结果.

Semaphore / CountDownLatch / CyclicBarrier

  • Semaphore - 设置一个数字, 代表可用的资源总数.
    • aquire() — 每个线程需要取得一个资源的时候, 都要从 semaphore 获取一下, 获取成功则可以继续执行; 否则需要等待(阻塞)
    • release() — 每个线程在执行完任务之后都要调用 release 方法来释放信号. 这样其他线程可以继续 acquire.
  • CountDownLatch - 设置一个数字, 代表要完成的任务数
    • countDown() -- 完成一个任务之后调用这个方法, count down 就会减去 1
    • await() -- 调用此方法之后阻塞当前线程, 等待 count down 变为 0 之后, 继续执行后续代码
    • 任务线程(worker thread)调用 countDown 方法. 主线程(启动线程/调度线程)调用 await. 当所有的任务线程都执行完毕之后, 主线程继续执行后续代码.
  • CyclicBarrier - 设置一个数字, 代表要完成的任务数(这一点跟 CountDownLatch 非常相似)
    • await() — 完成一个任务之后,调用这个方法,表示此线程已经到达 barrier. 调用此方法之后会将完成数量+1, 直到完成处理达到设定的数值, 就可以继续执行 await 后续的代码
    • 每个任务一个线程, 当所有线程都完成各自的任务之后调用 await 方法, 然后所有线程同时执行await 后续的代码.
    • 用 CyclicBarrier 时, 子线程在调用完 await 之后也会进入阻塞状态, 当所有的线程都执行到 await 之后又同时开始执行各自的 await 后续的代码.
    • CyclicBarrier 默认是可重复利用的. 当所有的线程都执行了 await 方法之后 CyclicBarrier 默认开启下一轮的拦截: 即如果有新的线程继续调用 await 方法, 则重复利用CyclicBarrier, 此时这个线程会被阻塞, 直到其他线程也trip the barrier.
  • ArrayBlockingQueue V.S. LinkedBlockingQueue

ThreadPoolExcutor

  • 线程池核心参数:

    1. coreSize - 核心线程数量
    2. Maximum pool size - 最大线程池线程数量
    3. keepAliveTime - 非核心线程存活时间
    4. TimeUnit - 存活时间单位
    5. BlockingQueue - workQueue
    6. ThreadFactory - 线程工厂
    7. RejectExecutionHandler - 拒绝策略

  • 线程池工作方式

    1. 调用 threadPoolExecutor.execute(Runnable) 或者 submit 方法激活线程池来执行任务
    2. 如果当前线程池中的线程数量还没有达到核心线程数, 则每次提交任务都会新建一个线程(worker thread)
    3. 如果线程池中的核心线程都已经被激活并且都在执行任务中, 则此时提交任务的话需要排队, 进入 work queue
    4. 如果 work queue 已经满了, 不能再接收新的任务了, 则会创建新的线程 worker thread
    5. 如果线程池中的线程数量已经达到了最大数量, 则此时再提交任务的时候就会被拒绝, 触发拒绝策略

  • 线程复用

    1. 每个 worker thread 被启动之后, 都会进入一个循环, 在循环体中, 会尝试从 work queue 当中取出新的任务来执行
    2. 如果新的任务来了 则直接在这个 worker thread 当中运行, 以此来实现了线程复用

  • 线程销毁

    1. worker thread 从 work queue 中取出任务的时候, 如果当前的线程数已经大于核心线程数量, 则会调用 workQueue.pool(keepAliveTime, TimeUnit)方法, 此方法启用超时策略, 即 keepAliveTime, 这个 worker thread 如果在指定时间内得不到新的任务, 则会返回 null
    2. worker thread 的循环如果得到了一个空任务(null) 就会销毁这个线程.
    3. 另: 如果从 work queue 中取出任务的时候, 线程池中的线程数量小于 core size, 则调用的是 workQueue.take() 方法, 该方法不指定timeout, 则会一直阻塞.

Executor / ExecutorService / Executors

  • Executor 是一个接口: 里面只有一个方法 execute(Runnable)
  • ExecutorService 也是一个接口. 他 extends Executor 接口. 里面增加了一些方法: submit(Runnable) / submit(Callable) / shutdown() / shutdownNow() / awaitTermination(timeout, timeUnit) / ..
  • Executors 是一个工厂工具类, 里面有一些静态方法, 比如:
    • Executors.newWorkStealingPool() 返回 ForkJoinPool
    • Executors.newCachedThreadPool() 最大可以允许创建 Integer.MAX_VALUE 个线程. 默认线程存活时间是 60 秒
    • Executors.newSingleThreadExecutor() 创建只有一个线程的线程池, 提交到这个线程池中的任务会串行执行
    • Executors.newScheduledThreadPool() 线程数最大可以到 Integer.MAX_VALUE. 可以周期性运行任务executeAtFixedRate - 如果上一个任务执行超时, 则下一个立刻执行; executeAtFixedDelay - 始终在上一个执行完毕之后的指定时间后执行下一个. 这个 ScheduledThreadPool 线程池不会回收工作线程.
    • Executors.newFixedThreadPool() - 创建一个固定线程数量的线程池. keepAliveTime 为 0.

RejectExecutionHandler

  1. ThreadPoolExecutor.AbortPolicy - 直接拒绝并抛出异常: RejectedExecutionException
  2. ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy - 什么也不做, 直接忽略
  3. ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy - 先把队列中第一个删除 然后把任务加到队列末尾. workQueue.pool() / execute(runnable)
  4. ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy - 往线程池中放任务的那个线程来执行这个 runnable

ThreadLocal

  • 引用类型

    1. 强引用: 即便是要 OOM 了也不会回收强引用的对象内存
    2. 软引用: OOM发生之前会清除软引用的内存
    3. 弱引用: 如果只有一条线路弱引用到某对象, 则下一次 YGC 的时候就会回收这个对象的内存
    4. 虚引用: 当这个对象被回收时收到一个系统通知

  • ThreadLocal 执行原理以及弱引用的使用

  • To Read

TBC

  1. CompletableFuture
  2. AbstractQueuedSynchronizer
  3. SOF - ArrayBlockingQueue V.S. LinkedBlockingQueue