线程、线程池

什么叫线程

线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。

进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础(百度百科)

创建线程的三种方式

一、继承Thread类:

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        //这里是线程要执行的任务
    }
}

Thread t = new MyThread();
t.start();

二、实现Runnable接口

class MyRunnable implements Runnable {
     ...
    public void run() {
         //这里是新线程需要执行的任务
    }
}
 
Runnable r = new MyRunnable();
Thread t = new Thread(r);

三、通过Callable和Future创建线程:

1、Callable与Runnable对比
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

由于run()方法返回值为void类型,所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

Callable位于java.util.concurrent包下,它也是一个接口,在它里面也只声明了一个方法,只不过这个方法叫做call():

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

这是一个泛型接口,call()函数返回的类型就是传递进来的V类型。

2、Future

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果,该方法会阻塞直到任务返回结果。

Future类位于java.util.concurrent包下,它是一个接口:

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

在Future接口中声明了5个方法,下面依次解释每个方法的作用:

cancel 方法 用来取消任务,如果取消任务成功则返回true,如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务,如果设置true,则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成,则无论mayInterruptIfRunning为true还是false,此方法肯定返回false,即如果取消已经完成的任务会返回false;如果任务正在执行,若mayInterruptIfRunning设置为true,则返回true,若mayInterruptIfRunning设置为false,则返回false;如果任务还没有执行,则无论mayInterruptIfRunning为true还是false,肯定返回true。

isCancelled 方法表示任务是否被取消成功,如果在任务正常完成前被取消成功,则返回 true。

isDone 方法表示任务是否已经完成,若任务完成,则返回true;

get() 方法用来获取执行结果,这个方法会产生阻塞,会一直等到任务执行完毕才返回;
get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果,如果在指定时间内,还没获取到结果,就直接返回null。
也就是说Future提供了三种功能:

1)判断任务是否完成;
2)能够中断任务;
3)能够获取任务执行结果。

因为Future只是一个接口,所以是无法直接用来创建对象使用的,因此就有了下面的FutureTask。

3、FutureTask
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

FutureTask类实现了RunnableFuture接口,我们看一下RunnableFuture接口的实现:

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

可以看出RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口,而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行,又可以作为Future得到Callable的返回值。

FutureTask提供了2个构造器:

public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

事实上,FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。

具体使用

 public class MyCallable implements Callable<String>{

        @Override
        public String call() throws Exception {
            return "hello";
        }
    }


FutureTask futureTask = new FutureTask(new MyCallable());
futureTask.run();
   try {
            String str = (String) futureTask.get();
            Log.e("myMessage"," "+str);
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }


1.使用Callable+Future获取执行结果

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        Future<Integer> result = executor.submit(task);
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

2.使用Callable+FutureTask获取执行结果

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //第一种方式
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();
         
        //第二种方式,注意这种方式和第一种方式效果是类似的,只不过一个使用的是ExecutorService,一个使用的是Thread
        /*Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();*/
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

线程的生命周期

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线程共包括以下 5 种状态:

  1. 新建状态(New): 线程对象被创建后,就进入了新建状态。例如,Thread thread = new Thread()。
  2. 就绪状态(Runnable): 也被称为“可执行状态”。线程对象被创建后,其它线程调用了该对象的start()方法,从而来启动该线程。例如,thread.start()。处于就绪状态的线程,随时可能被CPU调度执行。
  3. 运行状态(Running): 线程获取CPU权限进行执行。需要注意的是,线程只能从就绪状态进入到运行状态。
  4. 阻塞状态(Blocked): 阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权,暂时停止运行。直到线程进入就绪状态,才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种:
    (01) 等待阻塞 -- 通过调用线程的wait()方法,让线程等待某工作的完成。
    (02) 同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用),它会进入同步阻塞状态。
    (03) 其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时,线程会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时,线程重新转入就绪状态。
  5. 死亡状态(Dead): 线程执行完了或者因异常退出了run()方法,该线程结束生命周期。

Thread类的常用方法除了我们之前提到的用于启动线程的start外还有:

(1)sleep方法

sleep 方法,这是一个静态方法,作用是让当前线程进入休眠状态(但线程不会释放已获取的锁),这个休眠状态其实就是我们上面提到过的Time Waiting状态,从休眠状态“苏醒”后,线程会进入到Runnable状态。sleep方法有两个重载版本,声明分别如下:

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException; //让当前线程休眠millis指定的毫秒数
public static native void sleep(long millis, int nanos) throws InterruptedException; //在毫秒数的基础上还指定了纳秒数,控制粒度更加精细

(2)join 方法

join 方法,这是一个实例方法,在当前线程中对一个线程对象调用join方法会导致当前线程停止运行,等那个线程运行完毕后再接着运行当前线程。也就是说,把当前线程还没执行的部分“接到”另一个线程后面去,另一个线程运行完毕后,当前线程再接着运行。join方法有以下重载版本:

public final synchronized void join() throws InterruptedException 
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException; 
public final synchronized void join(long millis, int nanos) throws InterruptedException;

无参数的join表示当前线程一直等到另一个线程运行完毕,这种情况下当前线程会处于Wating状态;带参数的表示当前线程只等待指定的时间,这种情况下当前线程会处于Time Waiting状态。当前线程通过调用join方法进入Time Waiting或Waiting状态后,会释放已经获取的锁。实际上,join方法内部调用了Object类的实例方法wait,关于这个方法我们下面会具体介绍。

(3)yield 方法

yield 方法,这是一个静态方法,作用是让当前线程“让步”,目的是为了让优先级不低于当前线程的线程有机会运行,这个方法不会释放锁。

(4)interrupt 方法

interrupt 方法,这是一个实例方法。每个线程都有一个中断状态标识,这个方法的作用就是将相应线程的中断状态标记为true,这样相应的线程调用isInterrupted方法就会返回true。通过使用这个方法,能够终止那些通过调用可中断方法进入阻塞状态的线程。常见的可中断方法有sleep、wait、join,这些方法的内部实现会时不时的检查当前线程的中断状态,若为true会立刻抛出一个InterruptedException异常,从而终止当前线程。

(5)wait方法

wait方法是Object类中定义的实例方法。在指定对象上调用wait方法能够让当前线程进入阻塞状态(前提是当前线程持有该对象的内部锁(monitor)),此时当前线程会释放已经获取的那个对象的内部锁,这样一来其他线程就可以获取这个对象的内部锁了。当其他线程获取了这个对象的内部锁,进行了一些操作后可以调用notify方法来唤醒正在等待该对象的线程。

(6)notify/notifyAll方法

notify/notifyAll方法也是Object类中定义的实例方法。它俩的作用是唤醒正在等待相应对象的线程,区别在于前者唤醒一个等待该对象的线程,而后者唤醒所有等待该对象的线程。这么说比较抽象,下面我们来举一个具体的例子来说明以下wait和notify/notifyAll的用法。请看以下代码

public class Test {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
      
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
          
        producer.start();
        consumer.start();
    }
      
    class Consumer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
          
        private void consume() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == 0){
                        try {
                            System.out.println("队列空,等待数据");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.poll();          //每次移走队首元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("队列满,等待有空余空间");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
                }
            }
        }
    }
}

以上代码描述的是经典的“生产者-消费者”问题。Consumer类代表消费者,Producer类代表生产者。在生产者进行生产之前,会获取queue的内部锁(monitor)。然后判断队列是否已满,若满了则无法再生产,所以调用queue.wait方法,从而等待在queue对象上。(释放了queue的内部锁)此时消费者能够能够获取queue的monitor从而进入consume方法,这样一来它就会通过queue.poll方法进行消费,于是队列不再满了,接着它调用queue.notify方法来通知正在等待的生产者,生产者就会从刚才阻塞的wait方法中返回。同理,当队列空时,消费者也会等待 生产者来唤醒。

线程池

一.Java中的ThreadPoolExecutor类

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类,因此如果要透彻地了解Java中的线程池,必须先了解这个类。下面我们来看一下ThreadPoolExecutor类的具体实现源码。

在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法:

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
    ...
}

从上面的代码可以得知,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService类,并提供了四个构造器,事实上,通过观察每个构造器的源码具体实现,发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。

下面解释下一下构造器中各个参数的含义:

corePoolSize:核心池的大小,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法,从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中;

maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;

keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize,即当线程池中的线程数大于corePoolSize时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0;

unit:参数keepAliveTime的时间单位,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性:

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:

ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少,一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程;

handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务

常用的线程池

FixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

如上,FixedThreadPool中核心线程数等于线程池可容纳的最大线程数,这意味着FixedThreadPool中只存在核心线程,并且核心线程处于空闲状态也不会被终止。这表示FixedThreadPool线程池能快速地响应外界的任务请求。
当所有核心线程都处于活动状态时,后续提交的任务就会进入LinkedBlockingQueue队列中,此队列默认的容量是Integer.MAX_VALUE,即可理解为无限制。

CacheThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}

如上,CacheThreadPool线程池不存在核心线程,但是它可容纳的非核心线程数可看作是无限制的,又因为SynchronousQueue队列通常是无法存储元素的,这就表示,当提交了一个线程任务时,因为没有核心线程存在,并且也无法插入到SynchronousQueue队列中排队等外,所以就会使用一个非核心线程来执行这个任务。因为设置了60s的空闲时长,所以被用来执行任务的非核心线程会先考虑处于空闲状态的非核心线程,如果没有空闲的线程,就会创建新线程来执行任务。当任务都执行完成后,并且超过了空闲时长,那么线程就会被回收,当没有提交任务,并且所有空闲线程都被回收后,CacheThreadPool是不会占用系统资源的。从CacheThreadPool的特性来看,可以用它来执行大量的耗时较少的任务。

SingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

如上,SingleThreadExecutor线程池中只存在一个核心线程,并且任务队LinkedBlockingQueue的容量是无限制的。这意味着使用该线程池执行线程任务,同一时间只有一个线程任务在执行,在执行中的任务没有完成之前,后续到来的线程任务都会进入LinkedBlockingQueue队列中排队等待。SingleThreadExecutor线程池使用同一个线程按任务提交顺序执行多个线程任务,使得这些任务之间不需要处理线程同步的问题。

ScheduledThreadPool

//Executors.java
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

ScheduledThreadPoolExecutor.java

private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
          DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}

ScheduledThreadPool线程池主要用于执行延时任务,或重复执行某个任务。线程任务通过
ScheduledExecutorService类的 schedule|scheduleAtFixedRate|scheduleWithFixedDelay
方法提交到线程池中。

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