深入理解 Java 多线程核心知识:跳槽面试必备
程序员文章站
2022-03-14 22:22:10
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多线程相对于其他 Java 知识点来讲,有一定的学习门槛,并且了解起来比较费劲。在平时工作中如若使用不当会出现数据错乱、执行效率低(还不如单线程去运行)或者死锁程序挂掉等等问题,所以掌握了解多线程至关重要。
本文从基础概念开始到最后的并发模型由浅入深,讲解下线程方面的知识。
概念梳理
本节我将带大家了解多线程中几大基础概念。
并发与并行
并行,表示两个线程同时做事情。
并发,表示一会做这个事情,一会做另一个事情,存在着调度。单核 CPU 不可能存在并行(微观上)。
临界区
临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。但是每一次,只能有一个线程使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源,就必须等待。
阻塞与非阻塞
阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源,那么其它所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待,等待会导致线程挂起。这种情况就是阻塞。此时,如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。阻塞是指线程在操作系统层面被挂起。阻塞一般性能不好,需大约8万个时钟周期来做调度。非阻塞则允许多个线程同时进入临界区。
死锁
死锁是进程死锁的简称,是指多个进程循环等待他方占有的资源而无限的僵持下去的局面。
活锁
假设有两个线程1、2,它们都需要资源 A/B,假设1号线程占有了 A 资源,2号线程占有了 B 资源;由于两个线程都需要同时拥有这两个资源才可以工作,为了避免死锁,1号线程释放了 A 资源占有锁,2号线程释放了 B 资源占有锁;此时 AB 空闲,两个线程又同时抢锁,再次出现上述情况,此时发生了活锁。简单类比,电梯遇到人,一个进的一个出的,对面占路,两个人同时往一个方向让路,来回重复,还是堵着路。如果线上应用遇到了活锁问题,恭喜你中奖了,这类问题比较难排查。
饥饿
饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行。
线程的生命周期
在线程的生命周期中,它要经历创建、可运行、不可运行几种状态。
创建状态
当用 new 操作符创建一个新的线程对象时,该线程处于创建状态。
处于创建状态的线程只是一个空的线程对象,系统不为它分配资源。
可运行状态
执行线程的 start() 方法将为线程分配必须的系统资源,安排其运行,并调用线程体——run()方法,这样就使得该线程处于可运行状态(Runnable)。
这一状态并不是运行中状态(Running),因为线程也许实际上并未真正运行。
不可运行状态
当发生下列事件时,处于运行状态的线程会转入到不可运行状态:
线程优先级及设置
线程的优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程的调度,优先级高的线程将优先执行。一个线程的优先级设置遵从以下原则:
线程调度器选择优先级最高的线程运行。但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:
单线程创建方式比较简单,一般只有两种方式:继承 Thread 类和实现 Runnable 接口;这两种方式比较常用就不在 Demo 了,但是对于新手需要注意的问题有:
为什么要用线程池
通过上面的介绍,完全可以开发一个多线程的程序,为什么还要引入线程池呢。主要是因为上述单线程方式存在以下几个问题:
通过线程池创建线程从调用 API 角度来说分为两种,一种是原生的线程池,另外该一种是通过 Java 提供的并发包来创建,后者比较简单,后者其实是对原生的线程池创建方式做了一次简化包装,让调用者使用起来更方便,但道理都是一样的。所以搞明白原生线程池的原理是非常重要的。
ThreadPoolExecutor
通过 ThreadPoolExecutor 创建线程池,API 如下所示:
先来解释下其中的参数含义(如果看的比较模糊可以大致有个印象,后面的图是关键)。
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。
注意图上面的序号。
简单总结下线程池之间的参数协作分为以下几步:
以上就是原生线程池创建的核心原理。除了原生线程池之外并发包还提供了简单的创建方式,上面也说了它们是对原生线程池的一种包装,可以让开发者简单快捷的创建所需要的线程池。
Executors
newSingleThreadExecutor
创建一个线程的线程池,在这个线程池中始终只有一个线程存在。如果线程池中的线程因为异常问题退出,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。
newFixedThreadPool
创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程,直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。
newCachedThreadPool
可根据实际情况,调整线程数量的线程池,线程池中的线程数量不确定,如果有空闲线程会优先选择空闲线程,如果没有空闲线程并且此时有任务提交会创建新的线程。在正常开发中并不推荐这个线程池,因为在极端情况下,会因为 newCachedThreadPool 创建过多线程而耗尽 CPU 和内存资源。
newScheduledThreadPool
此线程池可以指定固定数量的线程来周期性的去执行。比如通过 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 来指定周期时间。
PS:另外在写定时任务时(如果不用 Quartz 框架),最好采用这种线程池来做,因为它可以保证里面始终是存在活的线程的。
推荐使用 ThreadPoolExecutor 方式
在阿里的 Java 开发手册时有一条是不推荐使用 Executors 去创建,而是推荐去使用 ThreadPoolExecutor 来创建线程池。
这样做的目的主要原因是:使用 Executors 创建线程池不会传入核心参数,而是采用的默认值,这样的话我们往往会忽略掉里面参数的含义,如果业务场景要求比较苛刻的话,存在资源耗尽的风险;另外采用 ThreadPoolExecutor 的方式可以让我们更加清楚地了解线程池的运行规则,不管是面试还是对技术成长都有莫大的好处。
改了变量,其他线程可以立即知道。保证可见性的方法有以下几种:
由于处理器会实现缓存一致性协议,所以写到主内存后会导致其他处理器的缓存无效,也就是线程工作内存无效,需要从主内存中重新刷新数据。
本文从基础概念开始到最后的并发模型由浅入深,讲解下线程方面的知识。
概念梳理
本节我将带大家了解多线程中几大基础概念。
并发与并行
并行,表示两个线程同时做事情。
并发,表示一会做这个事情,一会做另一个事情,存在着调度。单核 CPU 不可能存在并行(微观上)。
临界区
临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。但是每一次,只能有一个线程使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源,就必须等待。
阻塞与非阻塞
阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源,那么其它所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待,等待会导致线程挂起。这种情况就是阻塞。此时,如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。阻塞是指线程在操作系统层面被挂起。阻塞一般性能不好,需大约8万个时钟周期来做调度。非阻塞则允许多个线程同时进入临界区。
死锁
死锁是进程死锁的简称,是指多个进程循环等待他方占有的资源而无限的僵持下去的局面。
活锁
假设有两个线程1、2,它们都需要资源 A/B,假设1号线程占有了 A 资源,2号线程占有了 B 资源;由于两个线程都需要同时拥有这两个资源才可以工作,为了避免死锁,1号线程释放了 A 资源占有锁,2号线程释放了 B 资源占有锁;此时 AB 空闲,两个线程又同时抢锁,再次出现上述情况,此时发生了活锁。简单类比,电梯遇到人,一个进的一个出的,对面占路,两个人同时往一个方向让路,来回重复,还是堵着路。如果线上应用遇到了活锁问题,恭喜你中奖了,这类问题比较难排查。
饥饿
饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行。
线程的生命周期
在线程的生命周期中,它要经历创建、可运行、不可运行几种状态。
创建状态
当用 new 操作符创建一个新的线程对象时,该线程处于创建状态。
处于创建状态的线程只是一个空的线程对象,系统不为它分配资源。
可运行状态
执行线程的 start() 方法将为线程分配必须的系统资源,安排其运行,并调用线程体——run()方法,这样就使得该线程处于可运行状态(Runnable)。
这一状态并不是运行中状态(Running),因为线程也许实际上并未真正运行。
不可运行状态
当发生下列事件时,处于运行状态的线程会转入到不可运行状态:
- 调用了 sleep() 方法;
- 线程调用 wait() 方法等待特定条件的满足;
- 线程输入/输出阻塞;
- 返回可运行状态;
- 处于睡眠状态的线程在指定的时间过去后;
- 如果线程在等待某一条件,另一个对象必须通过 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待线程条件的改变;
- 如果线程是因为输入输出阻塞,等待输入输出完成。
线程优先级及设置
线程的优先级是为了在多线程环境中便于系统对线程的调度,优先级高的线程将优先执行。一个线程的优先级设置遵从以下原则:
- 线程创建时,子继承父的优先级;
- 线程创建后,可通过调用 setPriority() 方法改变优先级;
- 线程的优先级是1-10之间的正整数。
线程调度器选择优先级最高的线程运行。但是,如果发生以下情况,就会终止线程的运行:
- 线程体中调用了 yield() 方法,让出了对 CPU 的占用权;
- 线程体中调用了 sleep() 方法,使线程进入睡眠状态;
- 线程由于 I/O 操作而受阻塞;
- 另一个更高优先级的线程出现;
- 在支持时间片的系统中,该线程的时间片用完。
单线程创建方式比较简单,一般只有两种方式:继承 Thread 类和实现 Runnable 接口;这两种方式比较常用就不在 Demo 了,但是对于新手需要注意的问题有:
- 不管是继承 Thread 类还是实现 Runable 接口,业务逻辑是写在 run 方法里面,线程启动的时候是执行 start() 方法;
- 开启新的线程,不影响主线程的代码执行顺序也不会阻塞主线程的执行;
- 新的线程和主线程的代码执行顺序是不能够保证先后的;
- 对于多线程程序,从微观上来讲某一时刻只有一个线程在工作,多线程目的是让 CPU 忙起来;
- 通过查看 Thread 的源码可以看到,Thread 类是实现了 Runnable 接口的,所以这两种本质上来讲是一个;
为什么要用线程池
通过上面的介绍,完全可以开发一个多线程的程序,为什么还要引入线程池呢。主要是因为上述单线程方式存在以下几个问题:
- 线程的工作周期:线程创建所需时间为 T1,线程执行任务所需时间为 T2,线程销毁所需时间为 T3,往往是 T1+T3 大于 T2,所有如果频繁创建线程会损耗过多额外的时间;
- 如果有任务来了,再去创建线程的话效率比较低,如果从一个池子中可以直接获取可用的线程,那效率会有所提高。所以线程池省去了任务过来,要先创建线程再去执行的过程,节省了时间,提升了效率;
- 线程池可以管理和控制线程,因为线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一的分配,调优和监控;
- 线程池提供队列,存放缓冲等待执行的任务。
通过线程池创建线程从调用 API 角度来说分为两种,一种是原生的线程池,另外该一种是通过 Java 提供的并发包来创建,后者比较简单,后者其实是对原生的线程池创建方式做了一次简化包装,让调用者使用起来更方便,但道理都是一样的。所以搞明白原生线程池的原理是非常重要的。
ThreadPoolExecutor
通过 ThreadPoolExecutor 创建线程池,API 如下所示:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize, long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue);
先来解释下其中的参数含义(如果看的比较模糊可以大致有个印象,后面的图是关键)。
- corePoolSize
- 核心池的大小。
- maximumPoolSize
- keepAliveTime
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
- workQueue
- threadFactory
- handler
- 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。
注意图上面的序号。
简单总结下线程池之间的参数协作分为以下几步:
- 线程优先向 CorePool 中提交;
- 在 Corepool 满了之后,线程被提交到任务队列,等待线程池空闲;
- 在任务队列满了之后 corePool 还没有空闲,那么任务将被提交到 maxPool 中,如果 MaxPool 满了之后执行 task 拒绝策略。
以上就是原生线程池创建的核心原理。除了原生线程池之外并发包还提供了简单的创建方式,上面也说了它们是对原生线程池的一种包装,可以让开发者简单快捷的创建所需要的线程池。
Executors
newSingleThreadExecutor
创建一个线程的线程池,在这个线程池中始终只有一个线程存在。如果线程池中的线程因为异常问题退出,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。
newFixedThreadPool
创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程,直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。
newCachedThreadPool
可根据实际情况,调整线程数量的线程池,线程池中的线程数量不确定,如果有空闲线程会优先选择空闲线程,如果没有空闲线程并且此时有任务提交会创建新的线程。在正常开发中并不推荐这个线程池,因为在极端情况下,会因为 newCachedThreadPool 创建过多线程而耗尽 CPU 和内存资源。
newScheduledThreadPool
此线程池可以指定固定数量的线程来周期性的去执行。比如通过 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 来指定周期时间。
PS:另外在写定时任务时(如果不用 Quartz 框架),最好采用这种线程池来做,因为它可以保证里面始终是存在活的线程的。
推荐使用 ThreadPoolExecutor 方式
在阿里的 Java 开发手册时有一条是不推荐使用 Executors 去创建,而是推荐去使用 ThreadPoolExecutor 来创建线程池。
这样做的目的主要原因是:使用 Executors 创建线程池不会传入核心参数,而是采用的默认值,这样的话我们往往会忽略掉里面参数的含义,如果业务场景要求比较苛刻的话,存在资源耗尽的风险;另外采用 ThreadPoolExecutor 的方式可以让我们更加清楚地了解线程池的运行规则,不管是面试还是对技术成长都有莫大的好处。
改了变量,其他线程可以立即知道。保证可见性的方法有以下几种:
- volatile
由于处理器会实现缓存一致性协议,所以写到主内存后会导致其他处理器的缓存无效,也就是线程工作内存无效,需要从主内存中重新刷新数据。
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