Java由浅入深理解线程池设计和原理1-阿里云开发者社区

Java由浅入深理解线程池设计和原理1

2023-09-23 133

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简介： Java由浅入深理解线程池设计和原理1

1 线程

1.1 什么是线程？什么是进程？

进程：是指在系统中正在运行的一个应用程序，每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存

线程：进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行，进程要想执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程

1.2 java中线程的实现方式有几种?

继承Thread类

public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // 执行自己代码逻辑
        System.out.println("自己线程被执行");
    }
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

实现Runnable接口

public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        // 执行自己代码逻辑
        System.out.println("自己Runnable被执行");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
        thread.start();
    }
}

1.3 线程的生命周期是什么？

NEW：刚刚创建，没做任何操作

Thread thread = new Thread();
System.out.println(thread.getState());

RUNNABLE：调用run，可以执行，但不代表一定在执行（RUNNING,READY）

thread.start();
System.out.println(thread.getState());

BLOCKED：抢不到锁

        final byte[] lock = new byte[0];
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                synchronized (lock){
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                synchronized (lock){
                }
            }
        });
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(thread2.getState());

WAITING

Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
        LockSupport.park();
    }
});
thread2.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(thread2.getState());
LockSupport.unpark(thread2);
Thread.sleep(500);
System.out.println(thread2.getState());

TIMED_WAITING

Thread thread3 = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
thread3.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(thread3.getState());

TERMINATED

//等待1s后再来看
Thread.sleep(1000);
System.out.println(thread.getState());

2 线程存在的问题

2.1 一个线程只能执行一个任务

2.2 线程执行完后销毁,无法复用

public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // 执行自己代码逻辑
        System.out.println("自己线程被执行");
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
        // main线程休息5秒,等待myThread执行完成
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        // 执行业务代码
        System.out.println("执行其他业务代码");
        // 业务代码执行完成,需要再次执行线程
        myThread.start();
    }
}

2.3 线程过多,导致JVM宕机

3 初识线程池

简介：

在多线程编程中，任务都是一些抽象且离散的工作单元，而线程是使任务异步执行的基本机制。随着应用的扩张，线程和任务管理也变得非常复杂。为了简化这些复杂的线程管理模式，我们需要一个“管理者”来统一管理线程及任务分配，这就是线程池。

在主要大厂的编程规范中，不允许在应用中自行显式地创建线程，线程必须通过线程池提供。由于创建和销毁线程需要时间以及系统资源开销，使用线程池的好处是减少这些开销，解决资源不足的问题。

3.1 了解J.U.C

J.U.C全称：java.util.concurrent,在并发编程中很常用的实用工具类。

在并发编程中很常用的实用工具类，用于完成高并发、处理多线程的一个工具包。此包包括了几个小的、已标准化的可扩展框架，以及一些提供有用功能的类，没有这些类，这些功能会很难实现或实现起来冗长乏味

3.2 线程池解决了什么问题

降低系统资源消耗，通过重用已存在的线程，降低线程创建和销毁造成的消耗；
提高系统响应速度，当有任务到达时，通过复用已存在的线程，无需等待新线程的创建便能立即执行

方便线程并发数的管控。因为线程若是无限制的创建，可能会导致内存占用过多而产生OOM
节省CPU切换线程的时间成本（需要保持当前执行线程的现场，并恢复要执行线程的现场）。
提供更强大的功能，延时定时线程池。（Timer vs ScheduledThreadPoolExecutor）

3.3 线程池引发了什么问题

异步任务提交后,如果JVM宕机,已提交的任务会丢失,需要考虑确认机制。
使用不合理,可能导致内存溢出问题

参数过多，代码结构引入数据结构与算法，增加学习难度。

4 线程池的设计思想

5 线程池的原理

5.1 了解线程池类继承结构图

说明：

最常用的是ThreadPoolExecutor
调度用ScheduledThreadPoolExecutor，类似Timer和TimerTask。
任务拆分合并用ForkJoinPool
Executors是工具类，协助你创建线程池的

5.2 线程池工作状态

线程池状态

RUNNING：初始化状态是RUNNING。线程池被一旦被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0。RUNNING状态下，能够接收新任务，以及对已添加的任务进行处理。

SHUTDOWN：不接收新任务，但能处理已添加的任务。调用线程池的shutdown()接口时，线程池由RUNNING -> SHUTDOWN。

//shutdown后不接受新任务，但是task1，仍然可以执行完成
ExecutorService poolExecutor = Executors.newFixedThreadPool(5);
poolExecutor.execute(new Runnable() {
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("finish task 1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
poolExecutor.shutdown();
poolExecutor.execute(new Runnable() {
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
System.out.println("ok");

STOP：不接收新任务，不处理已添加的任务，并且会中断正在处理的任务。调用线程池的shutdownNow()接口时，线程池由(RUNNING 或 SHUTDOWN ) -> STOP

注意：容易引发不可预知的结果！运行中的任务也许还会打印，直到结束，因为调的是Thread.interrupt

//改为shutdownNow后，任务立马终止，sleep被打断，新任务无法提交，task1停止
poolExecutor.shutdownNow();

TIDYING：所有的任务已终止，队列中的”任务数量”为0，线程池会变为TIDYING。线程池变为TIDYING状态时，会执行钩子函数terminated()，可以通过重载terminated()函数来实现自定义行为

//自定义类，重写terminated方法
public class MyExecutorService extends ThreadPoolExecutor {
    public MyExecutorService(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
    }
    @Override
    protected void terminated() {
        super.terminated();
        System.out.println("terminated");
    }
    //调用 shutdownNow， ternimated方法被调用打印
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyExecutorService service = new MyExecutorService(1,2,10000,TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>(5));
        service.shutdownNow();
    }
}

TERMINATED：线程池处在TIDYING状态时，执行完terminated()之后，就会由 TIDYING -> TERMINATED