下面将依次介绍:

1. 线程状态、Java线程状态和线程池状态

2. start方法源码

3. 什么是线程池?

4. 线程池的工作原理和使用线程池的好处

5. ThreadPoolExecutor中的Worker,线程池底层实现原理

6. 线程池工具类如Executors等

7. 如何停止一个线程(含代码),源码查看Thread.interrupted()和Thread.currentThread().isInterrupted()区别

8. 如何合理的配置 Java 线程池?如 CPU 密集型的任务,基本线程池 应该配置多大?IO 密集型的任务,基本线程池应该配置多大?用有界队列好还是无界队列好?任务非常多的时候,使用什么阻塞队列能获取 最好的吞吐量?

9. AQS的子类在各个同步工具类(如ReentrantLock)中的使用情况

10. 多个线程顺序打印不同字符ABCDEFG(利用线程池实现多线程)

 

 

线程状态

线程的生命周期

首先new一个线程对象,进入New状态;

调用线程的start方法线程进入Runnable就绪状态,等待CPU调度;

然后该线程任务被CPU执行时,处于Running状态,如果放弃了CPU资源(如调用了yield方法),会进入到Runnable状态,等待CPU调度;

执行过程中有block IO(如DataInputStream.readUTF()方法)、获取重量级锁(自旋一定时间,未获取到锁进入Blocked状态)、waitjoin(join底层调用的Object的wait方法)condition.await等操作,进入Blocked状态;

与之对应的如果线程处于Blocked状态,block IO 完成、获取到锁(也不会立即被CPU执行),sleep时间完、被notify或notifyALL或condition.singal或condition.singalAll唤醒,由Blocked转为Runnable状态,等待CPU执行;

Terminated结束状态,线程run方法执行完毕、或者异常退出(比如其他线程调用了该线程的 interrupt方法(该方法仅仅只是设置线程标志位),如果该线程正在wait/join会抛出InterruptedException异常,线程终止,见本文末尾如何终止一个线程)

注:Condition可以由ReentrantLock对象的newCondition生成(底层就是内部类Sync继承了AQS,sync对象生成的Condition对象),一个ReentrantLock对象多次调用newCondition方法可以生成多个不同的Condition对象。

Java中的线程状态和上面有些区别

下面是Thread中枚举State源码:

public enum State {
        /**
         * Thread state for a thread which has not yet started.
         */
        NEW,

        /**
         * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
         * state is executing in the Java virtual machine but it may
         * be waiting for other resources from the operating system
         * such as processor.
         */
        RUNNABLE,

        /**未获取到锁
         * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
         * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
         * to enter a synchronized block/method or
         * reenter a synchronized block/method after calling
         * {@link Object#wait() Object.wait}.
         */
        BLOCKED,

        /**调用wait方法不写timeout时间
         * Thread state for a waiting thread.
         * A thread is in the waiting state due to calling one of the
         * following methods:
         * <ul>
         *   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
         *   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
         * </ul>
         *
         * <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to
         * perform a particular action.
         *
         * For example, a thread that has called <tt>Object.wait()</tt>
         * on an object is waiting for another thread to call
         * <tt>Object.notify()</tt> or <tt>Object.notifyAll()</tt> on
         * that object. A thread that has called <tt>Thread.join()</tt>
         * is waiting for a specified thread to terminate.
         */
        WAITING,

        /**调用sleep和wait方法写了timeout时间
         * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
         * A thread is in the timed waiting state due to calling one of
         * the following methods with a specified positive waiting time:
         * <ul>
         *   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
         *   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
         *   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
         * </ul>
         */
        TIMED_WAITING,

        /**
         * Thread state for a terminated thread.
         * The thread has completed execution.
         */
        TERMINATED;
    }

 注意对 Java 线程状态而言,不存在所谓的running 状态,它的 runnable 状态包含了 running 状态。

为什么Java线程没有Running状态?

 

JAVA8线程池THREADPOOLEXECUTOR底层原理及其源码解析

 

线程池的状态

ThreadPoolExecutor源码中的五种状态

    
    // runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;

下面也会说到一个int整数4字节32位中,高三位表示线程状态,所以这里COUNT_BITS=32-3=29,然后右移29为表示线程状态;

下图转载于:https://blog.csdn.net/shahuhubao/article/details/80311992

 

 

 

 

start 方法源码解析,何时调用的 run() 方法?

  • :首先,会判断线程的状态是否是 NEW 状态,内部对应的状态标识是个 0,也就是说如果不等于 0,直接抛线程状态异常(所以不能调用start方法超过一次);
  • :线程在启动后被加入到 ThreadGroup 中;
  • : start0 是最核心的方法了,就是运行状态为 NEW (内部状态标识为 0) 的线程;
  • start0 是个 native 方法,也就是 JNI 方法;

看到这里,你也许会有个疑问,自己重写的 run 方法是什么时候被调用的呢?源码中也没看到调用啊!!

Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine calls the run method of this thread.

上面这段截自 JDK 官方文档,意思是说:

run 方法是在调用 JNI 方法 start0() 的时候被调用的,被调用后,我们写的逻辑代码才得以被执行。

 

什么是线程池?线程池的工作原理和使用线程池的好处?

线程池源码里最主要的类:ThreadPoolExecutor;

对该类的源码进行部分解析;

线程池重要的两个状态:

  • runState:线程池运行状态

  • workerCount:工作线程的数量

线程池用一个32位的int来同时保存runState和workerCount,其中高3位(第31到29位)是runState,其余29位workerCount(大约500 million 即5亿左右,2的29次方-1);如下图

 

 

一个线程池管理了一组工作线程,同时它还包括了一个用于放置等待执行任务的任务队列(阻塞队列)

默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为 0

当任务提交给 线程池之后的处理策略如下:

1. 如果此时线程池中的线程小于 corePoolSize(核心池的大小),即使线程池中的线程都处于空闲状态,也要创建新的线程来处理被添加的任务(也 就是每来一个任务,就要创建一个线程来执行任务)。

2. 如果此时线程池中的数量大于等于 corePoolSize,但是缓冲队列 workQueue 未满,那么任务被放入缓冲队列,则该任务会等待空闲线程将其 取出去执行。

3. 如 果 此 时 线 程 池 中 的 数 量 大 于 等 于 corePoolSize , 缓 冲 队 列 workQueue 满,并且线程池中的数量小于 maximumPoolSize线程池 最大线程数),建新的线程来处理被添加的任务。

4. 如果 此时 线程 池中 的数量 大 于 等 于 corePoolSize, 缓 冲 队列 workQueue 满,并且线程池中的数量等于 maximumPoolSize还有任务需要线程执行,那么通 过 RejectedExecutionHandler 所指定的策略(任务拒绝策略)来处理此任务;也就是处理任务的优先级为:核心线程 corePoolSize任务队列 workQueue最大线程 maximumPoolSize,如果三者都满了,使用 handler 处理被拒绝的任务。

5. 特别注意,在 corePoolSize 和 maximumPoolSize 之间的线程 数会被自动释放。当线程池中线程数量大于 corePoolSize 时,如果某线程 空闲时间超过 keepAliveTime,线程将被终止,直至线程池中的线程数目不大于 corePoolSize。这样,线程池可以动态的调整池中的线程数。

6. threadFactory

创建线程的工厂,所有的线程都是通过这个Factory创建的;

默认会使用Executors.defaultThreadFactory 来作线程工厂;

也可以通过guava包下com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder创建;

如下可通过ThreadFactory指定线程池中线程的名称。

 

ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
        .setNameFormat("order-pool-%d")
        .build();

 

7. handler 线程池的饱和策略。做不了任务了找理由罢工

    • AbortPolicy

      • 直接抛出异常默认策略

    • CallerRunsPolicy

      • 用调用者所在的线程来执行任务;

    • DiscardOldestPolicy

      • 丢弃阻塞队列中第一个(即最旧)的任务,并执行当前任务;

    • DiscardPolicy

      • 直接丢弃任务。

 

 

 

 

 

什么是Worker ?

private final class Worker

extends AbstractQueuedSynchronizer

implements Runnable

 Worker唯一构造方法

Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

 

线程池底层原理

(重点)Worker既实现了Runnable,又继承了AbstractQueuedSynchronizer(AQS),所以它既是一个可执行的任务,又可以判断线程是否处于活跃状态(源码中正在执行同步代码块)。

Worker还有两个重要属性,一个是firstTask,一个是final Thread thread, thread用来执行线程任务task

当往核心线程池里添加线程任务时,如果此时线程数小于corePoolSize,会new 一个 Worker,在new Worker(task)的构造方法里通过threadFactory创建线程提交worker任务,并且把当前worker添加到一个HashSet( hashSet.add(worker))中;

后续如果满了添加到workQueue,从阻塞队列中出队后的任务也是由Worker执行;

workQueue满了,但线程数小于maximumPoolSize,也是通过new Worker(task, false)执行任务, 第二个参数false表示不是核心线程, 是临时线程。 

 

 

 

 

使用线程池的好处:

1.通过重复利用已创建的线程,减少在创建和销毁线程上所花的时间以及系统资源的开销。

2.提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要等到线程创建就可以立即执行。

3.提高线程的可管理性。使用线程池可以对线程进行统一的分配和监控

4.如果不使用线程池,有可能造成系统创建大量线程而导致消耗完系统内存。

 

工具类Executors

 

 

 

对于原理,有几个接口和类值得我们关注:

Executor 接口

Executors 类

ExecutorService 接口

AbstractExecutorService 抽象类

ThreadPoolExecutor 类

 

 

Executor 是一个顶层接口,在它里面只声明了一个方法 execute(Runnable),返回 值为 void,参数为 Runnable 类型,从字面意思可以理解,就是用来执行传进去的任务的;

然后 ExecutorService 接口继承了 Executor 接口,并声明了一些方法:submit、 invokeAll、invokeAny 以及 shutDown 等;

抽象类 AbstractExecutorService 实现了 ExecutorService 接口,基本实现了 ExecutorService 中声明的所有方法;

然后 ThreadPoolExecutor 继承了类 AbstractExecutorService。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) 创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池,多数情况下可用来替代 Timer 类。

根据上面的源码中corePoolSizemaximumPoolSizeworkQueue的类型可知如下特点:

1. newSingleThreadExecutor

创建一个单线程无界阻塞队列线程池;

这个线程池只有一个线程在工作,也就是相当于单线程串行执行所有任务

如果这个唯一的线程因为异常结束,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。

2.newFixedThreadPool

创建固定线程数量无界阻塞队列线程池;

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。

3. newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池(corePoolSize为0,全部都是临时线程);

如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程,那么就会回收部分空闲(60 秒不执行任务)的线程,当任务数增加时,此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务;

此线程池不会对线程池大小做限制,线程池大小完全依赖于操作系 统(或者说 JVM)能够创建的最大线程大小

 

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);

 

 

 在 ThreadPoolExecutor 类中有几个非常重要的方法:

execute()

submit()

shutdown()

shutdownNow()

execute 和 submit 区别: submit 有返回值,execute 没有返回值;

所以说可以根据任务有无返回 值选择对应的方法。 submit 方便异常的处理;

如果任务是实现的Callable接口,会返回值,也可能会抛出异常,而且希望外面的调用者获取返回值能够感知这些异常,那么就需要调用 submit 方法,通过捕获 Future.get  抛出的异常;

FutureTask.get方法:线程会阻塞直至状态达到最终状态,若最终状态为NORMAL,则正常返回,若状态为CANCELLEDINTERRUPTED,则抛出CancellationException,若状态为EXCEPTIONAL,则抛出对应的执行异常;

 

shutdown()和 shutdownNow()的区别: shutdown()和 shutdownNow()是用来关闭线程池的。

shutdown 方法:此方法执行后不得向线程池再提交任务,如果有空闲线程则销毁空闲线程,等待所有正在执行的任务及位于阻塞队列中的任务执行结束,然后销毁所有线程。

shutdownNow 方法:此方法执行后不得向线程池再提交任务,如果有空闲线程则销毁空闲线程,取消所有位于阻塞队列中的任务,并将其放入 List容器,作为返回值;取消正在执行的线程(实际上仅仅是设置正在执行线程的中断标志位,调用线程的 interrupt 方法来中断线程)。

 

如何停止一个线程?

https://blog.csdn.net/zbw18297786698/article/details/53432879

1. 设置标志位

可以用一个boolean类型或int类型的变量

2.利用Java线程的中断

和上面的标志位有些许类似;

线程A被其他线程调用了interrupt方法设置线程A的标志位,线程A run方法内部判断Thread.currentThread().isInterrupted(),如果true就停止,前提是线程A不处于sleep/wait/yield/join;

中断可以理解为线程的一个标志位属性,它表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。

中断好比其他线程对该线程打了个招呼,其他线程通过调用该线程的interrupt()方法对其进行中断操作。

线程通过检查自身是否被中断来进行响应,线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否被中断,也可以调用静态方法Thread.interrupted()对当前线程的中断标识位进行复位。

如果该线程已经处于终结状态,即使该线程被中断过,在调用该线程对象的isInterrupted()时依旧会返回false

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class InterruptThreadStateTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(new Worker(), "WorkerThread");
        t.start();

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        System.out.println("ThreadName: "+ Thread.currentThread().getName() +" call ThreadName:" + t.getName()+" Method:interrupt");
        t.interrupt();

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
        System.out.println("ThreadName:"+ t.getName()+" state : " + t.getState());
    }

    private static class Worker implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            Thread t = Thread.currentThread();
            while (true) {
                System.out.println("ThreadName:" + t.getName() + " state : " + t.getState());
                if (t.isInterrupted()) {
                    System.out.println("ThreadName:" + t.getName() + " 被中断");
                    return;
                }else{
                    System.out.println("ThreadName:" + t.getName() + " 没有被中断");
                }
            }

        }
    }
}

run方法执行完毕,线程状态Terminated

 

 

3. 利用抛出InterruptedException的方式

中断可以理解为线程的一个标志位属性,它表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。

中断好比其他线程该线程打了个招呼,其他线程通过调用该线程的interrupt()方法对其进行中断操作。

线程通过检查自身是否被中断来进行响应,线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否被中断,也可以调用静态方法Thread.interrupted()对当前线程的中断标识位进行复位;

如果该线程已经处于终结Terminated状态,即使该线程被中断过,在调用该线程对象的isInterrupted()时依旧会返回false。

从Java的API中可以看到,许多声明抛出InterruptedException的方法(例如Thread.sleep(longmillis)方法,当线程在sleep/wait/yield/join时,如果被中断,这个异常就会产生)。

这些方法在抛InterruptedException之前,Java虚拟机会先将该线程的中断标识位清除,然后抛出InterruptedException,此时调用isInterrupted()方法将会返回false

public class ThreadStopSafeInterrupted {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    // 使用中断机制,来终止线程
                    if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                        System.out.println("Interrupted ...");
                        break;
                    }
 
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("Interrupted When Sleep ...");
                        // Thread.sleep()方法由于中断抛出异常。
                        // Java虚拟机会先将该线程的中断标识位清除,然后抛出InterruptedException,
                        // 因为在发生InterruptedException异常的时候,会清除中断标记
                        // 如果不加处理,那么下一次循环开始的时候,就无法捕获这个异常。
                        // 故在异常处理中,再次设置中断标记位
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
 
                }
            }
        };
 
        // 开启线程
        thread.start();
        Thread.sleep(2000);
        thread.interrupt();
 
    }
 
}

 

4种阻塞队列

BlockingQueue包含了takeput两个重要方法,不同的BlockingQueue对这两个方法有不同的实现

  1. ArrayBlockingQueue:是一个基于数组结构的有界阻塞队列,此队列按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序,初始化分配队列整个内存,用一个锁实现
  2. LinkedBlockingQueue:一个基于链表结构的阻塞队列(可以是无界无界阻塞队列可能会占满内存资源),此队列按FIFO (先进先出) 排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue,puttake是用两个不同的锁实现;静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
  3. SynchronousQueue:一个不存储元素的无界阻塞队列,(maximumPoolSize的值就应该无界或者说无限制)直接将任务交给消费者,必须等队列中的添加元素被消费take后才能继续添加put新的元素每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作,否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列,因为SynchronousQueue没有存储功能,因此put和take会一直阻塞,直到有另一个线程已经准备好参与到交付过程中;仅当有足够多的消费者,并且总是有一个消费者准备好获取take的工作时,才适合使用同步队列。
  4. PriorityBlockingQueue:一个具有优先级得无限阻塞队列。

 如何合理的配置 java 线程池?如 CPU 密集型的任务,基本线程池 应该配置多大?IO 密集型的任务,基本线程池应该配置多大?用有界 队列好还是无界队列好?任务非常多的时候,使用什么阻塞队列能获取 最好的吞吐量?

答:

1)配置线程池时,CPU 密集型任务可以少配置线程数,大概和机器的 cpu 核数相 当,可以使得每个线程都在执行任务。

2)IO 密集型任务则由于需要等待 IO 操作,分配给该线程的时间片完了,CPU就执行其他线程的任务,则配置尽可能多的线程数2*cpu 核数

3)有界队列和无界队列的配置需区分业务场景,一般情况下配置有界队列,在一些 可能会有爆发性增长的情况下使用无界队列

4)任务非常多时,使用非阻塞队列,使用 CAS 操作替代锁可以获得好的吞吐量。 synchronousQueue 吞吐率最高。

 

 

(重要)合理的配置线程池

 

要想合理的配置线程池,就必须首先分析任务特性,可以从以下几个角度来进行分析:

 

  1. 任务的性质:CPU密集型任务IO密集型任务混合型任务
  2. 任务的优先级:高,中和低。
  3. 任务的执行时间:长,中和短。
  4. 任务的依赖性:是否依赖其他系统资源,如数据库连接。

 

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理;

 

CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量,因为线程执行的任务一直都在被CPU执行,如配置Ncpu+1个线程的线程池;

 

IO密集型任务则由于需要等待IO操作,线程并不是一直在执行任务,则配置尽可能多的线程,如2*Ncpu,这样在一个线程等待IO过程中,CPU时间片消耗完了,CPU就去执行其他线程

 

混合型的任务,如果可以拆分,则将这个混合型任务拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率,如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解。我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数

 

 

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理;

它可以让优先级高的任务先得到执行,需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级低的任务可能永远不能执行。

 

 

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者也可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行。

 

 

依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置越大,这样才能更好的利用CPU。

 

 

建议使用有界队列,有界队列能增加系统的稳定性预警能力,可以根据需要设大一点,比如几千。

比如后台任务线程池的队列和线程池全满了,不断的抛出抛弃任务的异常,通过排查发现是数据库出现了问题,导致执行SQL变得非常缓慢,因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的,所以导致线程池里的工作线程全部阻塞住,任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列,线程池的队列就会越来越多,有可能会撑满内存,导致整个系统不可用,而不只是后台任务出现问题。当然当我们的系统所有的任务是用的单独的服务器部署的,而我们使用不同规模的线程池跑不同类型的任务,但是出现这样问题时也会影响到其他任务。

 

即使如此,也还是要根据各个业务、系统环境等因素,测试之后来确定对应的参数,甚至在不同情况下,还需要不同的线程数来保证运行高效。

 

 

参考来源

http://ifeve.com/java-threadpool/

https://www.toutiao.com/a6698111022613398023/?timestamp=1559695016&app=news_article&group_id=6698111022613398023&tdsourcetag=s_pctim_aiomsg&req_id=2019060508365617201700000107920D2

https://juejin.im/post/5cbd3df6f265da0363454d78

https://segmentfault.com/a/1190000011207824