Java多线程编程

一. 线程的概念

       在单线程情况下，计算机中存在一个控制权，并按照顺序依次执行指令。单线程好像是一个只有一个队长指挥的小队，整个小队同一个时间只能执行一个任务。在多线程情境下，计算机中有多个控制权。多个控制权可以同时进行，每个控制权依次执行一系列的指令。多线程好像是一个小队中的成员同时执行不同的任务。

       多个线程可以并存于同一个进程空间。在JVM的一个进程空间中，一个栈(stack)代表了方法调用的次序。对于多线程来说，进程空间中需要有多个栈，以记录不同线程的调用次序。多个栈互不影响，但所有的线程将共享堆(heap)中的对象。

二. 线程的创建方式

1.继承Thread类

通过继承Thread类创建线程类的具体步骤和具体代码如下：

   • 定义一个继承Thread类的子类，并重写该类的run()方法；

   • 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象；

   • 调用该线程对象的start()方法启动线程。

 class SomeThead extends Thraad   { 
    public void run()   { 
     //do something here  
    }  
 } 
 
public static void main(String[] args){
 SomeThread thread1 = new SomeThread();   
  步骤3：启动线程：   
 thread1.start(); 
}

2.实现Runnable接口

通过实现Runnable接口创建线程类的具体步骤和具体代码如下：

   • 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法；

   • 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target对象，即该Thread对象才是真正的线程对象。

class SomeRunnable implements Runnable   { 
  public void run()   { 
  //do something here  
  }  
} 
Runnable run1 = new SomeRunnable();   
Thread thread1 = new Thread(run1);   
thread1.start(); 

三. 线程池

      线程池是多线程编程中的核心概念，简单来说就是一组可以执行任务的空闲线程。线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。通常，线程池的线程数量取CPU+2。

• 重用存在的线程，省去线程的创建销毁过程，性能佳。
• 有效控制最大并发线程数。提高了使用率并避免了竞争。
• 定时执行，定期执行，单线程，并发控制等功能。

      尽管这带来了诸多优势，首当其冲的就是程序性能提高，但多线程编程也有缺点 —— 增加了代码复杂度、同步问题、非预期结果和增加创建线程的开销。接下来了解一下如何使用 Java 线程池来缓解这些问题。

Java 通过 executor 对象来实现自己的线程池模型。可以使用 executor 接口或其他线程池的实现，它们都允许细粒度的控制。

java.util.concurrent 包中有以下接口：

►Executor —— 执行任务的简单接口

►ExecutorService —— 一个较复杂的接口，包含额外方法来管理任务和 executor 本身

►ScheduledExecutorService —— 扩展自 ExecutorService，增加了执行任务的调度方法

除了这些接口，这个包中也提供了 Executors 类直接获取实现了这些接口的 executor 实例。一般来说，一个 Java 线程池包含以下部分：

►工作线程的池子，负责管理线程

►线程工厂，负责创建新线程

►等待执行的任务队列

在下面的章节，让我们仔细看一看 Java 类和接口如何为线程池提供支持。

Executors 类和 Executor 接口

Executors 类包含工厂方法创建不同类型的线程池，Executor 是个简单的线程池接口，只有一个execute() 方法。

我们通过一个例子来结合使用这两个类(接口)，首先创建一个单线程的线程池，然后用它执行一个简单的语句：

Executor executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(() -> System.out.println("Single thread pool test"));

注意语句写成了 lambda 表达式，会被自动推断成 Runnable 类型。

如果有工作线程可用，execute() 方法将执行语句，否则就把 Runnable 任务放进队列，等待线程可用。

基本上，executor 代替了显式创建和管理线程。

Executors 类里的工厂方法可以创建很多类型的线程池：

►newSingleThreadExecutor()：包含单个线程和无界队列的线程池，同一时间只能执行一个任务

►newFixedThreadPool()：包含固定数量线程并共享无界队列的线程池；当所有线程处于工作状态，有新任务提交时，任务在队列中等待，直到一个线程变为可用状态

►newCachedThreadPool()：只有需要时创建新线程的线程池

►newWorkStealingThreadPool()：基于工作窃取（work-stealing）算法的线程池，后面章节详细说明

接下来，让我们看一下 ExecutorService 接口提供了哪些新功能？

ExecutorService

创建 ExecutorService 方式之一便是通过 Excutors 类的工厂方法。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

Besides the execute() method, this interface also defines a similar submit() method that can return a Future object:

除了 execute() 方法，接口也定义了相似的 submit() 方法，这个方法可以返回一个 Future 对象。

Callable<Double> callableTask = () -> {
    return employeeService.calculateBonus(employee);
};
Future<Double> future = executor.submit(callableTask);
// execute other operations
try {
    if (future.isDone()) {
        double result = future.get();
    }
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

从上面的例子可以看到，Future 接口可以返回 Callable 类型任务的结果，而且能显示任务的执行状态。

当没有任务等待执行时，ExecutorService 并不会自动销毁，所以你可以使用 shutdown() 或shutdownNow() 来显式关闭它。

executor.shutdown();

ScheduledExecutorService

这是 ExecutorService 的一个子接口，增加了调度任务的方法

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(10);

schedule() 方法的参数指定执行的方法、延时和 TimeUnit

Future<Double> future = executor.schedule(callableTask, 2, TimeUnit.MILLISECONDS);

另外，这个接口定义了其他两个方法：

xecutor.scheduleAtFixedRate(
  () -> System.out.println("Fixed Rate Scheduled"), 2, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
 executor.scheduleWithFixedDelay(
  () -> System.out.println("Fixed Delay Scheduled"), 2, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

scheduleAtFixedRate() 方法延时 2 毫秒执行任务，然后每 2 秒重复一次。相似的，scheduleWithFixedDelay() 方法延时 2 毫秒后执行第一次，然后在上一次执行完成 2 秒后再次重复执行。

在下面的章节，我们来看一下 ExecutorService 接口的两个实现：ThreadPoolExecutor 和ForkJoinPool。

ThreadPoolExecutor

这个线程池的实现增加了配置参数的能力。创建 ThreadPoolExecutor 对象

最方便的方式就是通过Executors 工厂方法：

ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(10);

这种情况下，线程池按照默认值预配置了参数。线程数量由以下参数控制：

►corePoolSize 和 maximumPoolSize：表示线程数量的范围

►keepAliveTime：决定了额外线程存活时间

我们深入了解一下这些参数如何使用。

当一个任务被提交时，如果执行中的线程数量小于 corePoolSize，一个新的线程被创建。如果运行的线程数量大于 corePoolSize，但小于 maximumPoolSize，并且任务队列已满时，依然会创建新的线程。如果多于 corePoolSize 的线程空闲时间超过 keepAliveTime，它们会被终止。

上面那个例子中，newFixedThreadPool() 方法创建的线程池，corePoolSize=maximumPoolSize=10 并且 keepAliveTime 为 0 秒。

如果你使用 newCachedThreadPool() 方法，创建的线程池 maximumPoolSize 为Integer.MAX_VALUE，并且 keepAliveTime 为 60 秒。

ThreadPoolExecutor cachedPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newCachedThreadPool();

The parameters can also be set through a constructor or through setter methods:

这些参数也可以通过构造函数或setter方法设置：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4, 6, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
executor.setMaximumPoolSize(8);

ThreadPoolExecutor 的一个子类便是 ScheduledThreadPoolExecutor，它实现了ScheduledExecutorService 接口。你可以通过 newScheduledThreadPool() 工厂方法来创建这种类型的线程池。

ScheduledThreadPoolExecutor executor = (ScheduledThreadPoolExecutor) Executors.newScheduledThreadPool(5);

上面语句创建了一个线程池，corePoolSize 为 5，maximumPoolSize 无限制，keepAliveTime 为 0 秒。

ForkJoinPool

另一个线程池的实现是 ForkJoinPool 类。它实现了 ExecutorService 接口，并且是 Java 7 中 fork/join 框架的重要组件。

fork/join 框架基于“工作窃取算法”。简而言之，意思就是执行完任务的线程可以从其他运行中的线程“窃取”工作。

ForkJoinPool 适用于任务创建子任务的情况，或者外部客户端创建大量小任务到线程池。

这种线程池的工作流程如下：

►创建 ForkJoinTask 子类

►根据某种条件将任务切分成子任务

►调用执行任务

►将任务结果合并

►实例化对象并添加到池中

创建一个 ForkJoinTask，你可以选择 RecursiveAction 或 RecursiveTask 这两个子类，后者有返回值。

我们来实现一个继承 RecursiveTask 的类，计算阶乘，并把任务根据阈值划分成子任务。

public class FactorialTask extends RecursiveTask<BigInteger> {
    private int start = 1;
    private int n;
    private static final int THRESHOLD = 20;
 
    // standard constructors
 
    @Override
    protected BigInteger compute() {
        if ((n - start) >= THRESHOLD) {
            return ForkJoinTask.invokeAll(createSubtasks())
              .stream()
              .map(ForkJoinTask::join)
              .reduce(BigInteger.ONE, BigInteger::multiply);
        } else {
            return calculate(start, n);
        }
    }
}

这个类需要实现的主要方法就是重写 compute() 方法，用于合并每个子任务的结果。

具体划分任务逻辑在 createSubtasks() 方法中：

private Collection<FactorialTask> createSubtasks() {
    List<FactorialTask> dividedTasks = new ArrayList<>();
    int mid = (start + n) / 2;
    dividedTasks.add(new FactorialTask(start, mid));
    dividedTasks.add(new FactorialTask(mid + 1, n));
    return dividedTasks;}

最后，calculate() 方法包含一定范围内的乘数。

private BigInteger calculate(int start, int n) {
    return IntStream.rangeClosed(start, n)
      .mapToObj(BigInteger::valueOf)
      .reduce(BigInteger.ONE, BigInteger::multiply);}

接下来，任务可以添加到线程池：

ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool();
BigInteger result = pool.invoke(new FactorialTask(100));

ThreadPoolExecutor 与 ForkJoinPool 对比

初看上去，似乎 fork/join 框架带来性能提升。但是这取决于你所解决问题的类型。

当选择线程池时，非常重要的一点是牢记创建、管理线程以及线程间切换执行会带来的开销。

ThreadPoolExecutor 可以控制线程数量和每个线程执行的任务。这很适合你需要在不同的线程上执行少量巨大的任务。

相比较而言，ForkJoinPool 基于线程从其他线程“窃取”任务。正因如此，当任务可以分割成小任务时可以提高效率。

为了实现工作窃取算法，fork/join 框架使用两种队列：

►包含所有任务的主要队列

►每个线程的任务队列

当线程执行完自己任务队列中的任务，它们试图从其他队列获取任务。为了使这一过程更加高效，线程任务队列使用双端队列（double ended queue）数据结构，一端与线程交互，另一端用于“窃取”任务。

来自The H Developer的图很好的表现出了这一过程：

和这种模型相比，ThreadPoolExecutor 只使用一个主要队列。

最后要注意的一点 ForkJoinPool 只适用于任务可以创建子任务。否则它和 ThreadPoolExecutor没区别，甚至开销更大。