java并发---线程通信和线程池原理
一、线程的状态
（1）线程的状态包括新建（初始状态）、就绪、运行、阻塞、销毁
（2）java中定义了线程执行的的6种状态（1.创建 2. 执行 3.销毁 4.时间限制的等待 5.无线等待 6.阻塞）
二、线程通信
1、传统的线程通信（java Object类中提供的方法，适用于所有java对象）
-
wait()：导致当前线程等待，直到其他线程调用该同步监视器的notify()方法或notifyAll()方法来唤醒该线程。该wait()方法有3种形式——无时间参数的wait（一直等待，直到其他线程通知），带毫秒参数的wait和带毫秒、毫微秒参数的wait（这两种方法都是等待指定时间后自动苏醒）。调用wait()方法的当前线程会释放对该同步监视器的锁定。
-
notify()：唤醒在此同步监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此同步监视器上等待，则会选择唤醒其中一个线程。选择是任意性的。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后（使用wait()方法），才可以执行被唤醒的线程。
-
notifyAll()：唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，才可以执行被唤醒的线程。
eg：
package test;
public class ThreadComm {
public static boolean WASHED = false;
public static void wash(int i) {
System.out.println(i + "已经洗手");
WASHED = true;
}
public static void eat(int i) {
System.out.println(i + "已经吃饭");
WASHED = false;
}
public static void main(String[] args) {
// wash线程
for (int i = 0; i <= 5; i++) {
int j = i;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
doWash(j);
doEat(j);
}
private synchronized void doWash(int i) {
if (!WASHED) {// 如果还没洗手，就执行洗手操作，否则，阻塞当前线程，直到吃饭完成
ThreadComm.wash(i);
notifyAll();
} else {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}// doWash
private synchronized void doEat(int i) {
if (WASHED) {// 已经洗完手，唤起当前吃饭线程
ThreadComm.eat(i);
notifyAll();
} else {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}// doEat
}).start();
}// for
}
}
2、使用condition控制线程通信
如果程序不使用synchronized关键字来保证同步，而是直接使用Lock对象来保证同步，则系统中不存在隐式的同步监视器，也就不能使用wait()、notify()、notifyAll()方法进行线程通信了。当使用Lock对象来保证同步时，Java提供了一个Condition类来保持协调，使用Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法继续执行的线程释放Lock对象，Condition对象也可以唤醒其他处于等待的线程。
Condition实例被绑定在一个Lock对象上。要获得特定Lock实例的Condition实例，调用Lock对象的newCondition()方法即可。
Condition类提供了如下3个方法：
await()：类似于隐式同步监视器上的wait()方法，导致当前线程等待，直到其他线程调用该Condition的signal()方法或signalAll()方法来唤醒该线程。该await()方法有更多变体，如longawaitNanos(long nanosTimeout)、void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Datedeadline)等，可以完成更丰富的等待操作。
signal()：唤醒在此Lock对象上等待的单个线程。如果所有线程都在该Lock对象上等待，则会选择唤醒其中一个线程。选择是任意性的。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后（使用await()方法），才可以执行被唤醒的线程。
signalAll()：唤醒在此Lock对象上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后，才可以执行被唤醒的线程。
eg：
package test; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class ConditionTread { private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private static Condition cond = lock.newCondition(); public static boolean WASHED = false; public static void wash(int i) { WASHED = true; System.out.println(i + "已经洗手"); } public static void eat(int i) { WASHED = false; System.out.println(i + "已经吃饭"); } public static void main(String[] args) { // wash线程 for (int i = 0; i <= 5; i++) { int j = i; new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { doWash(j); doEat(j); } private void doWash(int i) { lock.lock(); try { if (!WASHED) {// 如果还没洗手，就执行洗手操作，否则，阻塞当前线程，直到吃饭完成 ConditionTread.wash(i); cond.signalAll();//唤醒其他线程 } else { try { cond.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } }// doWash private void doEat(int i) { lock.lock(); try { if (WASHED) {// 已经洗完手，唤起当前吃饭线程 ConditionTread.eat(i); cond.signalAll(); } else { try { cond.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } }// doEat }).start(); }// for } }
3、使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信
Java 5提供了一个BlockingQueue接口（Queue的子接口），主要用途是作为线程同步的工具。BlockingQueue具有一个特征：当生产者线程试图向BlockingQueue中放入元素时，如果该队列已满，则该线程被阻塞；当消费者线程试图从BlockingQueue中取出元素时，如果该队列已空，则该线程被阻塞。程序的两个线程通过交替向BlockingQueue中放入元素、取出元素，即可很好地控制线程的通信。
BlockingQueue提供两个支持阻塞的方法：
put(E e)：尝试把E元素放入BlockingQueue中，如果该队列的元素已满，则阻塞该线程。
take()：尝试从BlockingQueue的头部取出元素，如果该队列的元素已空，则阻塞该线程。
BlockingQueue继承了Queue接口，也可使用Queue接口中的方法：
在队列尾部插入元素。包括add(E e)、offer(E e)和put(E e)方法，当该队列已满时，这3个方法分别会抛出异常、返回false、阻塞队列。
在队列头部删除并返回删除的元素。包括remove()、poll()和take()方法。当该队列已空时，这3个方法分别会抛出异常、返回false、阻塞队列。
在队列头部取出但不删除元素。包括element()和peek()方法，当队列已空时，这两个方法分别抛出异常、返回false。
eg:
package test; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; public class ConditionTread { private static BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<>(10); public static void wash(int i) { System.out.println(i + "已经洗手"); } public static void eat(int i) { System.out.println(i + "已经吃饭"); } public static void main(String[] args) { // wash线程 for (int i = 0; i <= 5; i++) { int j = i; new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { doWash(j); doEat(j); } private void doWash(int i) { // 如果还没洗手，就执行洗手操作，否则，阻塞当前线程，直到吃饭完成 ThreadComm.wash(i); try { bq.put(i + ""); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }// doWash private void doEat(int i) { try { if (bq.take()!=null) {// 已经洗完手，唤起当前吃饭线程 ThreadComm.eat(i); try { bq.take(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }// doEat }).start(); }// for } }
4、thread类中核心方法
start() 让线程启动，进入就绪状态,等待cpu分配时间片
yield() 线程的礼让，使得获取到cpu时间片的线程进入就绪状态，重新争抢时间片
sleep(time) 线程休眠固定时间，进入阻塞状态，休眠时间完成后重新争抢时间片,休眠可被打断
join()/join(time) 调用线程对象的join方法，调用者线程进入阻塞,等待线程对象执行完或者到达指定时间才恢复，重新争抢时间片
isInterrupted() 获取线程的打断标记，true:被打断，false：没有被打断。调用后不会修改打断标记
interrupt() 打断线程，抛出InterruptedException异常的方法均可被打断，但打断后不会修改打断标记，正常执行的线程被打断后会修改打断标记
interrupted() 获取线程的打断标记。调用后会清空打断标记
currentThread() 获取当前线程
stop() 停止线程运行（不推荐）
suspend() 挂起线程 （不推荐）
resume() 恢复线程运行 （不推荐）
5、LockSuport类中的静态方法
public static void park(Object blocker); // 暂停当前线程 public static void parkNanos(Object blocker, long nanos); // 暂停当前线程，不过有超时时间的限制 public static void parkUntil(Object blocker, long deadline); // 暂停当前线程，直到某个时间 public static void park(); // 无期限暂停当前线程 public static void parkNanos(long nanos); // 暂停当前线程，不过有超时时间的限制 public static void parkUntil(long deadline); // 暂停当前线程，直到某个时间 public static void unpark(Thread thread); // 恢复当前线程 public static Object getBlocker(Thread t);
6、CountDownLatch类
CountDownLatch 一般被称作"计数器"，一个或者一组线程在开始执行操作之前，必须要等到其他线程执行完成。
核心方法：
countDown()
await()
三、线程池
（1）常用线程池的类结构
普通线程执行完，就会进入TERMINATED销毁掉，而线程池就是创建一个缓冲池存放线程，执行结束以后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态，等候下次任务来临，这使得线程池比手动创建线程有着更多的优势：
- 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。（eg：ScheduledThreadPoolExecutor可以代替Timer执行定时任务）
（2）线程池的工作状态
- 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：SHUTDOWN状态时，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。
- 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：运行中的任务还会打印，直到结束，因为调的是Thread.interrupt
- 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。
- TERMINATED：线程池处在TIDYING状态时，执行完terminated()之后，就会由 TIDYING -> TERMINATED
（3）线程池原理
- 添加任务，如果线程池中线程数没达到coreSize，直接创建新线程执行
- 达到core，放入queue
- queue已满，未达到maxSize继续创建线程
- 达到maxSize，根据reject策略处理
- 超时后，线程被释放，下降到coreSize
（4）线程池源码分析
1）线程池是如何保证线程不被销毁的呢？
如果队列中没有任务时，核心线程会一直阻塞在获取任务的方法，直到返回任务。而任务执行完后，又会进入下一轮 work.runWork()中循环
验证：秘密就藏在核心源码里 ThreadPoolExecutor.getTask()
//work.runWork(): while (task != null || (task = getTask()) != null) //work.getTask(): boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
2）那么线程池中的线程会处于什么状态？
答案：RUNNABLE,WAITING
验证：起一个线程池，放置一个任务sleep，debug查看结束前后的状态
//debug add watcher: ((ThreadPoolExecutor) poolExecutor).workers.iterator().next().thread.getState()
ThreadPoolExecutor poolExecutor = Executors.newFixedThreadPool(5); poolExecutor.execute(new Runnable() { public void run() { try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); System.out.println("ok");
3）核心线程与非核心线程有区别吗？
答案：没有。被销毁的线程和创建的先后无关。即便是第一个被创建的核心线程，仍然有可能被销毁
验证：看源码，每个works在runWork的时候去getTask，在getTask内部，并没有针对性的区分当前work是否是核心线程或者类似的标记。只要判断works数量超出core，就会调用poll()，否则take()
（5）线程池调优
1）Executors剖析
1.1）newCachedThreadPool
//core=0 //max=Integer //timeout=60s //queue=1 //也就是只要线程不够用，就一直开，不用就全部释放。线程数0‐max之间弹性伸缩 //注意：任务并发太高且耗时较长时，造成cpu高消耗，同时要警惕OOM return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
1.2）newFixedThreadPool
//core=max=指定数量 //timeout=0 //queue=无界链表 //也就是说，线程数一直保持制定数量，不增不减，永不超时 //如果不够用，就沿着队列一直追加上去，排队等候 //注意：并发太高时，容易造成长时间等待无响应，如果任务临时变量数据过多，容易OOM return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), threadFactory);
1.3）newSingleThreadExecutor
//core=max=1 //timeout=0 //queue=无界链表 //只有一个线程在慢吞吞的干活，可以认为是fix的特例 //适用于任务零散提交，不紧急的情况 new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
1.4）newScheduledThreadPool
//core=制定数 //max=Integer //timeout=0 //queue=DelayedWorkQueue（重点！） //用于任务调度，DelayedWorkQueue限制住了任务可被获取的时机(getTask方法)，也就实现了时间控制 super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
2）优化建议
2.1）corePoolSize
基本线程数，一旦有任务进来，在core范围内会立刻创建线程进入工作。所以这个值应该参考业务并发量在绝大多数时间内的并发情况。同时分析任务的特性。
高并发，执行时间短的，要尽可能小的线程数，如配置CPU个数+1，减少线程上下文的切换。因为它不怎么占时间，让少量线程快跑干活。
并发不高、任务执行时间长的要分开看：如果时间都花在了IO上，那就调大CPU，如配置2倍CPU个数+1。不能让CPU闲下来，线程多了并行处理更快。如果时间都花在了运算上，运算的任务还很重，本身就很占cpu，那尽量 减少cpu，减少切换时间。参考第一条。
2.2）workQueue
任务队列，用于传输和保存等待执行任务的阻塞队列。这个需要根据你的业务可接受的等待时间。是一个需要权衡 时间还是空间的地方，如果你的机器cpu资源紧张，jvm内存够大，同时任务又不是那么紧迫，减少coresize，加大 这里。如果你的cpu不是问题，对内存比较敏感比较害怕内存溢出，同时任务又要求快点响应。那么减少这里。
2.3）maximumPoolSize
线程池最大数量，这个值和队列要搭配使用，如果你采用了无界队列，这个参数失效。同时要注意，队列盛满，同 时达到max的时候，再来的任务可能会丢失（下面的handler会讲）。 如果你的任务波动较大，同时对任务波峰来的时候，实时性要求比较高。也就是来的很突然并且都是着急的。那么 调小队列，加大这里。如果你的任务不那么着急，可以慢慢做，那就扔队列吧。 队列与max是一个权衡。队列空间换时间，多花内存少占cpu，轻视任务紧迫度。max舍得cpu线程开销，少占内存，给任务最快的响应。
2.4）keepaliveTime
线程存活保持时间，超出该时间后，线程会从max下降到core，很明显，这个决定了你养闲人所花的代价。如果 你不缺cpu，同时任务来的时间没法琢磨，波峰波谷的间隔比较短。经常性的来一波。那么实当的延长销毁时间， 避免频繁创建和销毁线程带来的开销。如果你的任务波峰出现后，很长一段时间不再出现，间隔比较久，那么要适当调小该值，让闲着不干活的线程尽快销毁，不要占据资源。
2.5）threadFactory（自定义展示实例）
线程工厂，用于创建新线程。threadFactory创建的线程也是采用new Thread()方式，threadFactory创建的线程名都具有统一的风格：pool-m-thread-n（m为线程池的编号，n为线程池内的线程编号）。如果需要自己定义线程 的某些属性，如个性化的线程名，可以在这里动手。一般不需要折腾它。
2.6）handler
线程饱和策略，当线程池和队列都满了，再加入线程会执行此策略。默认不处理的话会扔出异常，打进日志。这个与任务处理的数据重要程度有关。如果数据是可丢弃的，那不需要额外处理。如果数据极其重要，那需要在这里采取措施防止数据丢失，如扔消息队列或者至少详细打入日志文件可追踪。
优化总结：
1）线程池的线程数量设置不宜过大，因为一旦线程池的工作线程总数超过系统所拥有的处理器数量，就会导致过多的上下文切换。
2）慎用Executors，尤其如newCachedThreadPool。这个方法如果任务过多会无休止创建过多线 程，增加了上下文的切换。最好根据业务情况，自己创建线程池参数。
（6）开启线程方法总结
package test; import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.FutureTask; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; public class Test { public static void main(String[] args) { // 继承Thread ThreadTest th1 = new ThreadTest(); th1.setName("thread"); th1.start(); // 实现Runnable RunnableTest runnable = new RunnableTest(); Thread th2 = new Thread(runnable); th2.setName("runnable"); th2.start(); // 实现Callable<> 接口，java5新增，可返回执行结果 CallableTest callable = new CallableTest(); FutureTask<Integer> future = new FutureTask<>(callable); new Thread(future, "callable").start(); try { Integer r = future.get(); System.out.println(r); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 线程池 ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10); ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) pool; executor.execute(new PoolHandler()); } } // 方式一 class ThreadTest extends Thread { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); } } } // 方式二 class RunnableTest implements Runnable { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); } } } // 方式三 class CallableTest implements Callable<Integer> { @Override public Integer call() throws Exception { int sum = 0; for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); sum += i; } return sum; } } /** * 方式四 线程池实现方式 * 注意：使用线程池时，使用实现Runnable的方式可避免java中单一继承造成的局限性 */ class PoolHandler implements Runnable { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); } } }
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