多线程基础知识点梳理

2023-05-17 10:43 由 xfcoding 发表于 #后端开发

基础概念

进程（process）：进程是计算机中的一个任务，比如打开浏览器、IntelliJ IDEA。
线程（thread）：进程内部有多个子任务，叫线程。比如IDEA在敲代码的同时还能自动保存、自动导包，都是子线程做的。

进程和线程的关系就是一个进程包含一个或多个线程。
线程是操作系统调度的最小任务单位。线程自己不能决定什么时候执行，由操作系统决定什么时候调度。因此多线程编程中，代码的先后顺序不代表代码的执行顺序。

多线程有什么好处？

提高应用程序的性能。异步编程让程序更快的响应。
提高CPU利用率。一个线程阻塞，另一个线程继续执行，充分利用CPU。

同时多线程也会带来安全问题，比如多个线程读写一个共享变量，会出现数据不一致的问题。

什么时候考虑用多线程？

高并发。系统在同一时间要处理多个任务时，需要用多线程。
很耗时的操作。如文件读写，异步执行不让进程阻塞。
不影响方法主流程逻辑，但又影响接口性能的操作，如数据同步，使用异步方式能提高接口性能。

创建线程的方式

多线程的创建方法基本有四种：

继承Thread类
实现Runnalble接口
实现Callable接口
线程池

1.继承Thread类

public class ThreadTest extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新线程开始...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTest t = new ThreadTest();
	    t.start();
        System.out.println("main线程结束...");
    }
}

main线程结束...
新线程开始...

启动一个新线程总是调用它的start()方法，而不是run()方法；ThreadTest子线程启动后，它跟main就开始同时运行了，谁先执行谁后执行由操作系统调度。所以多线程代码的执行顺序跟代码顺序无关。

2.实现Runnable接口

实现Runnable接口，重写run()方法，作为构造器参数传给Thread，调用start()方法启动线程。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread r = new RunnableThread();
        new Thread(r).start();
        new Thread(r).start();
    }
}

class RunnableThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新线程开始...");
    }
}

一般推荐使用实现Runnable的方式来创建新线程，它的优点有：

Java中只有单继承，接口则可以多实现。如果一个类已经有父类，它就不能再继承Thread类了，继承了Thread类就不能再继承其他类，有局限性。实现Runnable接口则没有局限性。
实现Runnable接口的类具有共享数据的特性，它可以同时作为多个线程的执行单位（target），此时多个线程操作的是同一个对象的run方法，这个对象所有变量在这几个线程间是共享的。而继承Thread的方式做不到，比如A extends Thread，每次启动线程都是new A().start()，每次的A对象都不同。

3. 实现Callable接口

Callable区别于Runnable接口的点在于，Callable的方法有返回值，还能抛出异常。

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

Callable的用法：

配合FutureTask一起使用，FutureTask是RunnableFuture接口的典型实现，RunnableFuture接口从名字来看，它同时具有Runnable和Future接口的的能力。FutureTask提供2个构造器，同时支持Callable方式和Runnable方式的任务。FutureTask可作为任务传给Thread的构造器。
使用线程池时，调用ExecutorService#submit方法，返回一个Future对象。
Future对象的get()方法能返回异步执行的结果。调用get()方法时，如果异步任务已经完成，就直接返回结果。如果异步任务还没完成，那么get()方法会阻塞，一直等待任务完成才返回结果，这一点也是FutureTask的缺点。

Callable和FutureTask一起使用的例子：

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建Callable接口实现类的对象
        CallableThread sumThread = new CallableThread();

        // 创建FutureTask对象
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(sumThread);

        // 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            // 获取Callable中call方法的返回值
            Integer sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为" + sum);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("main线程结束");
    }
}

class CallableThread implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        Thread.sleep(2000); // 等待2s验证futureTask.get()是否等待
        return sum;
    }
}

总和为5050
main线程结束

在JDK源码中可看到get()方法执行时，会判断线程状态如果是未完成，会进入一个无限循环，直到任务完成才返回执行结果。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING) // 如果未完成，则等待完成
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
    // ...
    for (; ; ) { // 无线循环，直到任务完成
        // ...
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
	// ...
    }
}

Future和FutureTask

使用Callable接口前，需要了解Future和FutureTask。

在Java并发编程中，Future接口代表着异步计算结果。它定义的方法有：

get()：获取结果，任务未完成前会一直等待，直到完成；
get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；添加超时时间可以让调用线程及时释放，不会死等；
cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；mayInterruptIfRunning的作用是，如果任务在执行中，这时取消任务，如果mayInterruptIfRunning为true就中断，否则不中断。
isCancelled()：任务在执行完成前被取消，返回true，否则返回false；
isDone()：判断任务是否已完成。任务完成包括：正常完成、抛出异常而完成、任务被取消。

FutureTask作为Future的实现类，也有局限性。比如get()方法会阻塞调用线程；不能将多个异步计算结果合并到一起等等，针对这些局限，Java8提供了CompletableFuture。

4.线程池

下面我将围绕这几个问题，来讨论一下线程池。

线程池是什么？
为什么使用线程池，或者说使用线程池的好处是什么？
线程池怎么使用？
线程池的原理是什么，它怎么做到重复利用线程的？

线程池是什么

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想的管理线程的工具，它内部维护了多个线程，目的是能重复利用线程，控制并发量，降低线程创建及销毁的资源消耗，提升程序稳定性。

为什么使用线程池

使用线程池的好处：

降低资源消耗：重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

线程池解决的核心问题就是资源管理问题，在并发场景下，系统不能够确定在任意时刻，有多少任务需要执行，有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题：

频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能非常巨大。
对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。

线程池这种基于池化思想的技术就是为了解决这类问题。

线程池怎么使用

线程池的的核心实现类是ThreadPoolExecutor，调用execute或者submit方法即可开启一个子任务。

public class ThreadPoolTest {

    private static ThreadPoolExecutor poolExecutor =
            new ThreadPoolExecutor(1, 1, 5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1));

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Runnable runnableTask = () -> System.out.println("runnable task end");
        poolExecutor.execute(runnableTask);

        Callable<String> callableTask = () -> "callable task end";
        Future<String> future = poolExecutor.submit(callableTask);
        System.out.println(future.get());
    }
}

ThreadPoolExecutor的核心构造器有7个参数，我们来分析一下每个参数的含义：

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

corePoolSize：线程池的核心线程数。线程池中的线程数小于corePoolSize时，直接创建新的线程来执行任务。
workQueue：阻塞队列。当线程池中的线程数超过corePoolSize，新任务会被放到队列中，等待执行。
maximumPoolSize：线程池的最大线程数量。
keepAliveTime：非核心线程空闲时的存活时间。非核心线程即workQueue满了之后，再提交任务时创建的线程。非核心线程如果空闲了，超过keepAliveTime后会被回收。
unit：keepAliveTime的时间单位。
threadFactory：创建线程的工厂。默认的线程工厂会把提交的任务包装成一个新的任务。
handler：拒绝策略。当线程池的workQueue已满且线程数达到最大线程数时，新提交的任务执行对应的拒绝策略。

JDK也提供了一个快速创建线程池的工具类Executors，它提供了多种创建线程池的方法，但通常不建议使用Executors来创建线程池，因为它提供的很多工具方法，要么使用的阻塞队列没有设置边界，要么是没有设置最大线程的上限。任务一多容易发生OOM。实际开发应该根据业务自定义线程池。

线程池的原理

execute

线程池的核心运行机制在于execute方法，所有的任务调度都是通过execute方法完成的。

public void execute(Runnable command) {
    // ...
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // (1)
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // (2)
        int recheck = ctl.get();
        // 重新检查状态，如果是非运行状态，接着执行队列删除操作，然后执行拒绝策略
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果是因为remove(command)删除队列元素失败，再判断池中线程数量
        // 如果池中线程数为0则新增一个任务为null的非核心线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false)) // (3)
        reject(command);
}

透过execute方法的3个if判断，可以把它的逻辑梳理为3个部分：

第一个if：如果线程数量小于核心线程数，则创建一个线程来执行新提交的任务。
第二个if：如果线程数量大于等于核心线程数，则将任务添加到该阻塞队列中。
else if：线程池状态不对，或者添加到队列失败即队列满了，则创建一个非核心线程执行新提交的任务。如果非核心线程创建失败就执行拒绝策略。

addWorker

execute中的核心逻辑要看addWoker方法，它承担了核心线程和非核心线程的创建。addWorker方法前半部分代码用一个双重for循环确保线程池状态正确，后半部分的逻辑是创建一个线程对象Worker，开启新线程执行任务的过程。

Worker是对提交进来的线程的封装，创建的worker会被添加到一个HashSet，线程池中的线程都维护在这个名为workers的HashSet中并被线程池所管理。

前面说到，Worker本身也是一个线程对象，它实现了Runnable接口，在addWorker中会启动一个新的任务，所以我们要看它的run方法，而run方法的核心逻辑是runWorker方法。

final void runWorker(Worker w) {
    // ...
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // ...
            try {
                try {
                    task.run(); // 执行普通的run方法
                } finally {
                    task = null; // task置空
                }
            }
        }
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 回收空闲线程
    }
}

可以看到runWorker方法中有一个while循环，循环执行task的run方法，这里的task就是提交到线程池的任务，它对当成了普通的对象，执行完task.run()，最后会把task设置为null。

再看循环的条件，已知task是有可能为空的，所以我们再看看(task = getTask()) != null这个条件，如果getTask() == null则跳出循环执行processWorkerExit方法，processWorkerExit方法的作用是回收空闲线程。

getTask

很多答案都在getTask()方法中。

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (; ; ) { // (1)
        // 校验线程池状态的代码，先省略...
        
        int wc = workerCountOf(c);

        // Are workers subject to culling?
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // (2)

        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 线程数减1
                return null; // 这里时终端外层while循环的时机
            continue;
        }

        try {
            Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take(); // (3)
            if (r != null)
                return r; // 取到值了就在外层的while循环中执行任务
            timedOut = true; // 否则就标记为获取队列任务超时
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

结合(1)、（3）这两个地方可以看出，getTask()方法是一个无限循环，不断从阻塞队列中取任务，取到了任务就返回，到外层runWorker方法中，执行这个任务的run方法，即线程池通过启动一个Worker子线程来执行提交进来的任务，并且一个Worker线程会执行多个任务！

我们再看看getTask()何时返回null，因为返回null才可以看下一步的processWorkerExit方法。

getTask()返回null主要看timed && timedOut这个条件。变量值timed为true的条件是：允许核心线程超时或者线程数大于核心线程数。timedOut变量为true的条件是从workQueue为空了，取不到任务了，但是这个前提是timed == true，执行workQueue.poll的时候，因为workQueue.poll方法获取任务最多等待keepAliveTime的时间，超过这个时间获取不到就返回null，而workQueue.take()方法获取不到任务会一直等待！

因此，在核心线程不会超时的情况下，如果池中的线程数小于核心线程数，这个getTask()会一直循环下去，这就是在这种情况下线程池不会自动关闭的原因！反之，在核心线程不会超时的情况下，如果池中的线程数超过核心线程数，才会对多余的线程回收。如果allowCoreThreadTimeOut == true，即核心线程也能超时，当阻塞队列为空，所有Worker线程都会被回收。

ThreadPoolExecutor的注释说，当池中没有剩余线程，线程池会自动关闭。

A pool that is no longer referenced in a program AND has no remaining threads will be shutdown　automatically

但我也没找到证据，没看到哪里显式调用shutdown()，但确实会自动关闭。

processWorkerExit

getTask()获取不到任务后，会执行processWorkerExit方法回收线程。在这里，Worker线程集合随机删除一个线程对象，然后再随机中断一个workers中的线程。可见线程销毁线程的方式时删除线程引用，让JVM自动回收。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // ...
    try {
        workers.remove(w);
    }
    // 调用interrupt()方法中断线程，一次中断一个
    tryTerminate();
    // ...
}

线程池原理总结

最后我们回到最初的问题，线程池的原理是什么，线程池怎么做到重复利用线程的？

线程池通过维护一组叫Worker的线程对象来处理任务。在线程数不超过核心线程数的情况下，一个任务对应一个Worker线程，超过核心线程数，新的任务会提交到阻塞队列。一个Worker线程在启动后，除了执行第一次任务之外，还会不断向阻塞队列中消费任务。如果队列里没任务了，Worker线程会一直轮询，不会退出；只有在池中线程数超过核心线程数时才退出轮询，然后回收多余的空闲线程。即一个Worker线程会处理多个任务，且Worker线程受线程池管理，不会随意回收。

线程池的拒绝策略

拒绝策略的目的是保护线程池，避免无节制新增任务。JDK使用RejectedExecutionHandler接口代表拒绝策略，并提供了4个实现类。线程池的默认拒绝策略是AbortPolicy，丢弃任务并抛出异常。实际开发中用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略。

线程的状态

New：新创建的线程，尚未执行；
Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（过时方法，不推荐使用）。

Thread类的常用方法

start()：启动当前线程
currentThread()：返回当前代码执行的线程
yield()：释放当前CPU的执行权
join()：join()方法可以让其他线程等待，直到自己执行完了，其他线程才继续执行。
setDaemon(boolean on)：设置守护线程，也叫后台线程。JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。
interrupt()：中断线程。
sleep(long millis)：让线程睡眠指定的毫秒数，在指定时间内，线程是阻塞状态
isAlive()：判断当前线程是否存活。

public class ThreadJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

start
hello
end

volatile

线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型（JMM）。

类变量、实例变量是共享变量，方法局部变量是私有变量。共享变量的值保存在主内存中，每个线程都有自己工作内存。

在Java虚拟机中，共享变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true，在JVM把修改后的a回写到主内存之前，其他线程读取到的a的值仍然是true，这就造成了多线程之间共享的变量不一致。

因此，volatile关键字的目的是告诉虚拟机：

每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
每次修改变量后，立刻回写到主内存。

volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。

但是volatile不能保证原子性，原子性问题需要根据实际情况做同步处理。

线程同步

什么叫线程同步？对于多线程的程序来说，同步指的是在一定的时间内只允许某一个线程访问某个资源。

在Java中，最常见的方法是用synchronized关键字实现同步效果。

synchronized

synchronized可以修饰实例方法、静态方法、代码块。

synchronized的底层是使用操作系统的互斥锁（mutex lock）实现的，它的特点是保证内存可见性、操作原子性。

内存可见性：可见性的原理还要回到Java内存模型（上面JMM的那张图）。 synchronized上锁时，会清空工作内存中变量的值，去主内存中获取该变量的值；解锁时，会把工作内存中变量的值同步回主内存中。
操作原子性：持有同一个锁的两个同步块只能串行地执行。

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是，它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外，加锁和解锁需要消耗一定的时间，所以，synchronized会降低程序的执行效率。

不需要synchronized的操作

JVM规范定义了几种原子操作：

基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = 1；
引用类型赋值，例如：List list = anotherList。

long和double是64位（8字节）数据，在32位和64位操作系统上是不一样的。JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作，不过在x64平台的JVM是把long和double的赋值作为原子操作实现的。