java中模拟并发 java并发实现原理

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我是数据分析师 2023-07-28 09:50:37

文章标签 java中模拟并发 java 线程池阻塞队列守护线程 文章分类 Java 后端开发

（一）守护线程和非守护线程

在这里我们需要明白的就是：当在一个JVM进程里面开多个线程的时候，线程分为两类，一类是守护线程，另一类就是非守护线程，当退出的话，设置的非守护线程也会随着程序的退出而退出的，但是守护线程是不会退出的，他们不影响整个JVM进程的退出。
下面来举一个神奇的例子，如下代码所示

public class Thread1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("maintainer");
        Thread t1=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    try{
                        System.out.println("exucting");
                        Thread.sleep(100);//这个就是说让你明白需要在哪里进行
                    }catch(InterruptedException e)
                    {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        
        t1.start();
        System.out.println("main exit");
    }
}

由于设置的是守护线程，所以不会随着程序的退出而退出，因此就会不断地进行程序的运行

java中模拟并发 java并发实现原理_阻塞队列

下面我们只需要在t1.start()的前面加一行代码，就可以保证这个的退出，那就是加一行t1.setDaemon(true),这样就能显示退出了。

java中模拟并发 java并发实现原理_java中模拟并发_02

这是因为默认的是非守护进程，当我们在这个代码运行的时候设置的是守护进程的时候，那么这个代码就可以进行正常的退出了，那就是t1.setDaemon(true),这个就是守护进程，就是在t1.start()之前进行的设置。

（二）

下面要介绍的就是轻量级阻塞和重量级阻塞，这个当中需要明白的就是能够被中断的阻塞称为轻量级阻塞，也就是调用函数t1.interrupted(）能够将其阻塞的，其对应的状态就是WAITING,而像synchronized这种不能被中断的阻塞称为重量级阻塞，对应的状态是Blocked。

（三）wait()与notify()

生产者-消费者模型是一个常见的多线程模型

在一个内存队列当中，多个生产者线程往内存队列当中放数据；多个消费者线程往内存队列中取数据。要实现这样一个编程模型，需要做到以下事情
（1）内存队列本身要加锁，才能实现线程安全。
（2）阻塞。当内存队列满了，生产者放不进去时，会被阻塞；当内存队列是空的时候，这个时候消费者无事可做，会被阻塞。wait()就是阻塞。
（3）双向通知。当生产者被阻塞时，消费者消费了数据，要notify()生产者；或者当消费者被阻塞时，生产者生产了数据，需要notify()消费者。

为什么wait()的时候必须释放锁？

因为在wait()当中对应的就是线程的堵塞，这个时候假设线程A被堵塞了，那么线程B就不能进入这个控制块当中去了，这是因为线程A的锁一直没有释放。解决这个问题的方法就是在wait()的内部，会先释放锁obj，然后进入阻塞状态，之后他被另一个线程用notify（）唤醒，去重新拿锁，其次，wait()调用完成之后，执行后面的业务逻辑代码，然后退出synchronized同步块，再次释放锁。

（四）彻底搞懂线程池

熟悉java多线程的同学可能就知道，当我们线程创建过多的时候，容易引发内存溢出，因此我们就有必要使用线程池的技术了

1 线程池的优势

（1）降低资源消耗。通过重新利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
（2）提高相应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
（3）提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统地稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

2 线程池的使用

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
 
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         threadFactory, defaultHandler);
}
 
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
 
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

corePoolSize(必须）:核心线程数。默认情况下，核心线程会一直存活，但是当将allowCoreThreadTimeout设置为true时，核心线程会超时回收。
maximumPoolSize(必须）:线程池所能容纳的最大线程数。当活跃线程数达到该数值后，后续的新任务将会阻塞。
**keepAliveTime(必须）**线程闲置超时时长。如果超过该时长，非核心线程就会被回收。如果将 allowCoreThreadTimeout 设置为true时，核心线程也会超时回收。
unit（必须）：指定keepAliveTime参数的时间单位。常用的单位有TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MINUTES（分）。
workQueue（必需）： 任务队列。通过线程池的 execute() 方法提交的 Runnable 对象将存储在该参数中。其采用阻塞队列实现。
threadFactory（可选）： 线程工厂。用于指定为线程池创建新线程的方式。
handler（可选）： 拒绝策略。当达到最大线程数时需要执行的饱和策略

线程池的使用流程如下：

// 创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
                                             MAXIMUM_POOL_SIZE,
                                             KEEP_ALIVE,
                                             TimeUnit.SECONDS,
                                             sPoolWorkQueue,
                                             sThreadFactory);
// 向线程池提交任务
threadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        ... // 线程执行的任务
    }
});
// 关闭线程池
threadPool.shutdown(); // 设置线程池的状态为SHUTDOWN，然后中断所有没有正在执行任务的线程
threadPool.shutdownNow(); // 设置线程池的状态为 STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表

3 线程池的工作原理

java中模拟并发 java并发实现原理_java中模拟并发_03

4 线程池的参数

4.1 任务队列（workQueue)

任务队列是基于阻塞队列实现的，即采用生产者消费者模式，在 Java 中需要实现 BlockingQueue 接口。但 Java 已经为我们提供了 7 种阻塞队列的实现：

1、ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列（数组结构可配合指针实现一个环形队列）。
2、LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列，在未**指明容量时，容量默认为 Integer.MAX_VALUE。
3、PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列，对元素没有要求，可以实现 Comparable 接口也可以提供 Comparator 来对队列中的元素进行比较。跟时间没有任何关系，仅仅是按照优先级取任务。
4、DelayQueue：类似于PriorityBlockingQueue，是二叉堆实现的无界优先级阻塞队列。要求元素都实现 Delayed 接口，通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。
5、SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，消费者线程调用 take() 方法的时候就会发生阻塞，直到有一个生产者线程生产了一个元素，消费者线程就可以拿到这个元素并返回；生产者线程调用 put() 方法的时候也会发生阻塞，直到有一个消费者线程消费了一个元素，生产者才会返回。
6、LinkedBlockingDeque：使用双向队列实现的有界双端阻塞队列。双端意味着可以像普通队列一样 FIFO（先进先出），也可以像栈一样 FILO（先进后出）。
7、LinkedTransferQueue：它是ConcurrentLinkedQueue、LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的结合体，但是把它用在 ThreadPoolExecutor 中，和 LinkedBlockingQueue 行为一致，但是是无界的阻塞队列。
注意有界队列和无界队列的区别：如果使用有界队列，当队列饱和时并超过最大线程数时就会执行拒绝策略；而如果使用无界队列，因为任务队列永远都可以添加任务，所以设置 maximumPoolSize 没有任何意义。

4.2 线程工厂

线程工厂指定创建线程的方式，需要实现 ThreadFactory 接口，并实现 newThread(Runnable r) 方法。该参数可以不用指定，Executors 框架已经为我们实现了一个默认的线程工厂：

/**
 * The default thread factory.
 */
private static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
    private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
    private final ThreadGroup group;
    private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
    private final String namePrefix;
 
    DefaultThreadFactory() {
        SecurityManager s = System.getSecurityManager();
        group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                              Thread.currentThread().getThreadGroup();
        namePrefix = "pool-" +
                      poolNumber.getAndIncrement() +
                     "-thread-";
    }
 
    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread t = new Thread(group, r,
                              namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                              0);
        if (t.isDaemon())
            t.setDaemon(false);
        if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
            t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
        return t;
    }
}
4.3 拒绝策略（handler）
当线程池的线程数达到最大线程数时，需要执行拒绝策略。拒绝策略需要实现 RejectedExecutionHandler 接口，并实现 rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 方法。不过 Executors 框架已经为我们实现了 4 种拒绝策略：

AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常。
CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。
DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常。可以配合这种模式进行自定义的处理方式。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列最早的未处理任务，然后重新尝试执行任务。
5 功能线程池
嫌上面使用线程池的方法太麻烦？其实Executors已经为我们封装好了 4 种常见的功能线程池，如下：

定长线程池（FixedThreadPool）
定时线程池（ScheduledThreadPool ）
可缓存线程池（CachedThreadPool）
单线程化线程池（SingleThreadExecutor）
5.1 定长线程池（FixedThreadPool）
创建方法的源码：

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

特点：只有核心线程，线程数量固定，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
应用场景：控制线程最大并发数。
使用示例：

// 1. 创建定长线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为3
 ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
 // 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
 Runnable task =new Runnable(){
 public void run() {
 System.out.println(“执行任务啦”);
 }
 };
 // 3. 向线程池提交任务
 fixedThreadPool.execute(task);

5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool ）
创建方法的源码：

private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;
 
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
          DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}
 
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
        int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                   ThreadFactory threadFactory) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
          DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
          new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
}

特点：核心线程数量固定，非核心线程数量无限，执行完闲置 10ms 后回收，任务队列为延时阻塞队列。
应用场景：执行定时或周期性的任务。
使用示例：

// 1. 创建 定时线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为5
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
  public void run() {
     System.out.println("执行任务啦");
  }
};

// 3. 向线程池提交任务
scheduledThreadPool.schedule(task, 1, TimeUnit.SECONDS); // 延迟1s后执行任务
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(task,10,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);// 延迟10ms后、每隔1000ms执行任务
5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool）
创建方法的源码：

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

特点：无核心线程，非核心线程数量无限，执行完闲置 60s 后回收，任务队列为不存储元素的阻塞队列。
应用场景：执行大量、耗时少的任务。
使用示例：

// 1. 创建可缓存线程池对象

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
  public void run() {
     System.out.println("执行任务啦");
  }
};
// 3. 向线程池提交任务
cachedThreadPool.execute(task);
5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）
创建方法的源码：

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

特点：只有 1 个核心线程，无非核心线程，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
应用场景：不适合并发但可能引起 IO 阻塞性及影响 UI 线程响应的操作，如数据库操作、文件操作等。
使用示例：

// 1. 创建单线程化线程池
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
  public void run() {
     System.out.println("执行任务啦");
  }
};
// 3. 向线程池提交任务
singleThreadExecutor.execute(task);

5.5 对比

6 总结
Executors 的 4 个功能线程池虽然方便，但现在已经不建议使用了，而是建议直接通过使用 ThreadPoolExecutor 的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

其实 Executors 的 4 个功能线程有如下弊端：

FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor：主要问题是堆积的请求处理队列均采用 LinkedBlockingQueue，可能会耗费非常大的内存，甚至 OOM。
CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool：主要问题是线程数最大数是 Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至 OOM。

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