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深入理解Java多線(xiàn)程核心知識(shí)：跳槽面試必備技能

多線(xiàn)程相對(duì)于其他 Java 知識(shí)點(diǎn)來(lái)講，有一定的學(xué)習(xí)門(mén)檻，并且了解起來(lái)比較費(fèi)勁。在平時(shí)工作中如若使用不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、執(zhí)行效率低（還不如單線(xiàn)程去運(yùn)行）或者死鎖程序掛掉等等問(wèn)題，所以掌握了解多線(xiàn)程至關(guān)重要。

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本文從基礎(chǔ)概念開(kāi)始到***的并發(fā)模型由淺入深，講解下線(xiàn)程方面的知識(shí)。

概念梳理

本節(jié)我將帶大家了解多線(xiàn)程中幾大基礎(chǔ)概念。

并發(fā)與并行

并行，表示兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)做事情。

并發(fā)，表示一會(huì)做這個(gè)事情，一會(huì)做另一個(gè)事情，存在著調(diào)度。單核 CPU 不可能存在并行（微觀(guān)上）。

臨界區(qū)

臨界區(qū)用來(lái)表示一種公共資源或者說(shuō)是共享數(shù)據(jù)，可以被多個(gè)線(xiàn)程使用。但是每一次，只能有一個(gè)線(xiàn)程使用它，一旦臨界區(qū)資源被占用，其他線(xiàn)程要想使用這個(gè)資源，就必須等待。

阻塞與非阻塞

阻塞和非阻塞通常用來(lái)形容多線(xiàn)程間的相互影響。比如一個(gè)線(xiàn)程占用了臨界區(qū)資源，那么其它所有需要這個(gè)資源的線(xiàn)程就必須在這個(gè)臨界區(qū)中進(jìn)行等待，等待會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程掛起。這種情況就是阻塞。

此時(shí)，如果占用資源的線(xiàn)程一直不愿意釋放資源，那么其它所有阻塞在這個(gè)臨界區(qū)上的線(xiàn)程都不能工作。阻塞是指線(xiàn)程在操作系統(tǒng)層面被掛起。阻塞一般性能不好，需大約8萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)做調(diào)度。

非阻塞則允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)。

死鎖

死鎖是進(jìn)程死鎖的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指多個(gè)進(jìn)程循環(huán)等待他方占有的資源而***的僵持下去的局面。

活鎖

假設(shè)有兩個(gè)線(xiàn)程1、2，它們都需要資源 A/B，假設(shè)1號(hào)線(xiàn)程占有了 A 資源，2號(hào)線(xiàn)程占有了 B 資源；由于兩個(gè)線(xiàn)程都需要同時(shí)擁有這兩個(gè)資源才可以工作，為了避免死鎖，1號(hào)線(xiàn)程釋放了 A 資源占有鎖，2號(hào)線(xiàn)程釋放了 B 資源占有鎖；此時(shí) AB 空閑，兩個(gè)線(xiàn)程又同時(shí)搶鎖，再次出現(xiàn)上述情況，此時(shí)發(fā)生了活鎖。

簡(jiǎn)單類(lèi)比，電梯遇到人，一個(gè)進(jìn)的一個(gè)出的，對(duì)面占路，兩個(gè)人同時(shí)往一個(gè)方向讓路，來(lái)回重復(fù)，還是堵著路。

如果線(xiàn)上應(yīng)用遇到了活鎖問(wèn)題，恭喜你中獎(jiǎng)了，這類(lèi)問(wèn)題比較難排查。

饑餓

饑餓是指某一個(gè)或者多個(gè)線(xiàn)程因?yàn)榉N種原因無(wú)法獲得所需要的資源，導(dǎo)致一直無(wú)法執(zhí)行。

線(xiàn)程的生命周期

在線(xiàn)程的生命周期中，它要經(jīng)歷創(chuàng)建、可運(yùn)行、不可運(yùn)行幾種狀態(tài)。

創(chuàng)建狀態(tài)

當(dāng)用 new 操作符創(chuàng)建一個(gè)新的線(xiàn)程對(duì)象時(shí)，該線(xiàn)程處于創(chuàng)建狀態(tài)。

處于創(chuàng)建狀態(tài)的線(xiàn)程只是一個(gè)空的線(xiàn)程對(duì)象，系統(tǒng)不為它分配資源。

可運(yùn)行狀態(tài)

執(zhí)行線(xiàn)程的 start() 方法將為線(xiàn)程分配必須的系統(tǒng)資源，安排其運(yùn)行，并調(diào)用線(xiàn)程體——run()方法，這樣就使得該線(xiàn)程處于可運(yùn)行狀態(tài)（Runnable）。

這一狀態(tài)并不是運(yùn)行中狀態(tài)（Running），因?yàn)榫€(xiàn)程也許實(shí)際上并未真正運(yùn)行。

不可運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)發(fā)生下列事件時(shí)，處于運(yùn)行狀態(tài)的線(xiàn)程會(huì)轉(zhuǎn)入到不可運(yùn)行狀態(tài)：

調(diào)用了 sleep() 方法；
線(xiàn)程調(diào)用 wait() 方法等待特定條件的滿(mǎn)足；
線(xiàn)程輸入/輸出阻塞；
返回可運(yùn)行狀態(tài)；
處于睡眠狀態(tài)的線(xiàn)程在指定的時(shí)間過(guò)去后；
如果線(xiàn)程在等待某一條件，另一個(gè)對(duì)象必須通過(guò) notify() 或 notifyAll() 方法通知等待線(xiàn)程條件的改變；
如果線(xiàn)程是因?yàn)檩斎胼敵鲎枞?，等待輸入輸出完成?/li>

線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)

線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)及設(shè)置

線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)是為了在多線(xiàn)程環(huán)境中便于系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的線(xiàn)程將優(yōu)先執(zhí)行。一個(gè)線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置遵從以下原則：

線(xiàn)程創(chuàng)建時(shí)，子繼承父的優(yōu)先級(jí)；
線(xiàn)程創(chuàng)建后，可通過(guò)調(diào)用 setPriority() 方法改變優(yōu)先級(jí)；
線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)是1-10之間的正整數(shù)。

線(xiàn)程的調(diào)度策略

線(xiàn)程調(diào)度器選擇優(yōu)先級(jí)***的線(xiàn)程運(yùn)行。但是，如果發(fā)生以下情況，就會(huì)終止線(xiàn)程的運(yùn)行：

線(xiàn)程體中調(diào)用了 yield() 方法，讓出了對(duì) CPU 的占用權(quán)；
線(xiàn)程體中調(diào)用了 sleep() 方法，使線(xiàn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)；
線(xiàn)程由于 I/O 操作而受阻塞；
另一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程出現(xiàn)；
在支持時(shí)間片的系統(tǒng)中，該線(xiàn)程的時(shí)間片用完。

單線(xiàn)程創(chuàng)建方式

單線(xiàn)程創(chuàng)建方式比較簡(jiǎn)單，一般只有兩種方式：繼承 Thread 類(lèi)和實(shí)現(xiàn) Runnable 接口；這兩種方式比較常用就不在 Demo 了，但是對(duì)于新手需要注意的問(wèn)題有：

不管是繼承 Thread 類(lèi)還是實(shí)現(xiàn) Runable 接口，業(yè)務(wù)邏輯是寫(xiě)在 run 方法里面，線(xiàn)程啟動(dòng)的時(shí)候是執(zhí)行 start() 方法；
開(kāi)啟新的線(xiàn)程，不影響主線(xiàn)程的代碼執(zhí)行順序也不會(huì)阻塞主線(xiàn)程的執(zhí)行；
新的線(xiàn)程和主線(xiàn)程的代碼執(zhí)行順序是不能夠保證先后的；
對(duì)于多線(xiàn)程程序，從微觀(guān)上來(lái)講某一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程在工作，多線(xiàn)程目的是讓 CPU 忙起來(lái)；
通過(guò)查看 Thread 的源碼可以看到，Thread 類(lèi)是實(shí)現(xiàn)了 Runnable 接口的，所以這兩種本質(zhì)上來(lái)講是一個(gè)；

PS：平時(shí)在工作中也可以借鑒這種代碼結(jié)構(gòu)，對(duì)上層調(diào)用來(lái)講提供更多的選擇，作為服務(wù)提供方核心業(yè)務(wù)歸一維護(hù)

為什么要用線(xiàn)程池

通過(guò)上面的介紹，完全可以開(kāi)發(fā)一個(gè)多線(xiàn)程的程序，為什么還要引入線(xiàn)程池呢。主要是因?yàn)樯鲜鰡尉€(xiàn)程方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

線(xiàn)程的工作周期：線(xiàn)程創(chuàng)建所需時(shí)間為 T1，線(xiàn)程執(zhí)行任務(wù)所需時(shí)間為 T2，線(xiàn)程銷(xiāo)毀所需時(shí)間為 T3，往往是 T1+T3 大于 T2，所有如果頻繁創(chuàng)建線(xiàn)程會(huì)損耗過(guò)多額外的時(shí)間；
如果有任務(wù)來(lái)了，再去創(chuàng)建線(xiàn)程的話(huà)效率比較低，如果從一個(gè)池子中可以直接獲取可用的線(xiàn)程，那效率會(huì)有所提高。所以線(xiàn)程池省去了任務(wù)過(guò)來(lái)，要先創(chuàng)建線(xiàn)程再去執(zhí)行的過(guò)程，節(jié)省了時(shí)間，提升了效率；
線(xiàn)程池可以管理和控制線(xiàn)程，因?yàn)榫€(xiàn)程是稀缺資源，如果***制的創(chuàng)建，不僅會(huì)消耗系統(tǒng)資源，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用線(xiàn)程池可以進(jìn)行統(tǒng)一的分配，調(diào)優(yōu)和監(jiān)控；
線(xiàn)程池提供隊(duì)列，存放緩沖等待執(zhí)行的任務(wù)。

大致總結(jié)了上述的幾個(gè)原因，所以可以得出一個(gè)結(jié)論就是在平時(shí)工作中，如果要開(kāi)發(fā)多線(xiàn)程程序，盡量要使用線(xiàn)程池的方式來(lái)創(chuàng)建和管理線(xiàn)程。

通過(guò)線(xiàn)程池創(chuàng)建線(xiàn)程從調(diào)用 API 角度來(lái)說(shuō)分為兩種，一種是原生的線(xiàn)程池，另外該一種是通過(guò) Java 提供的并發(fā)包來(lái)創(chuàng)建，后者比較簡(jiǎn)單，后者其實(shí)是對(duì)原生的線(xiàn)程池創(chuàng)建方式做了一次簡(jiǎn)化包裝，讓調(diào)用者使用起來(lái)更方便，但道理都是一樣的。所以搞明白原生線(xiàn)程池的原理是非常重要的。

ThreadPoolExecutor

通過(guò) ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建線(xiàn)程池，API 如下所示：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime,

TimeUnit unit,

BlockingQueue workQueue);

先來(lái)解釋下其中的參數(shù)含義（如果看的比較模糊可以大致有個(gè)印象，后面的圖是關(guān)鍵）。

corePoolSize
核心池的大小。

在創(chuàng)建了線(xiàn)程池后，默認(rèn)情況下，線(xiàn)程池中并沒(méi)有任何線(xiàn)程，而是等待有任務(wù)到來(lái)才創(chuàng)建線(xiàn)程去執(zhí)行任務(wù)，除非調(diào)用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，從這兩個(gè)方法的名字就可以看出，是預(yù)創(chuàng)建線(xiàn)程的意思，即在沒(méi)有任務(wù)到來(lái)之前就創(chuàng)建 corePoolSize 個(gè)線(xiàn)程或者一個(gè)線(xiàn)程。默認(rèn)情況下，在創(chuàng)建了線(xiàn)程池后，線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)為0，當(dāng)有任務(wù)來(lái)之后，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程去執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)目達(dá)到 corePoolSize 后，就會(huì)把到達(dá)的任務(wù)放到緩存隊(duì)列當(dāng)中。

maximumPoolSize

線(xiàn)程池***線(xiàn)程數(shù)，這個(gè)參數(shù)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它表示在線(xiàn)程池中最多能創(chuàng)建多少個(gè)線(xiàn)程。

keepAliveTime

表示線(xiàn)程沒(méi)有任務(wù)執(zhí)行時(shí)最多保持多久時(shí)間會(huì)終止。默認(rèn)情況下，只有當(dāng)線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)大于 corePoolSize 時(shí)，keepAliveTime 才會(huì)起作用，直到線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)不大于 corePoolSize，即當(dāng)線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)大于 corePoolSize 時(shí)，如果一個(gè)線(xiàn)程空閑的時(shí)間達(dá)到 keepAliveTime，則會(huì)終止，直到線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)不超過(guò) corePoolSize。

但是如果調(diào)用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，在線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)不大于 corePoolSize 時(shí)，keepAliveTime 參數(shù)也會(huì)起作用，直到線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)為0。

unit

參數(shù) keepAliveTime 的時(shí)間單位。

workQueue

一個(gè)阻塞隊(duì)列，用來(lái)存儲(chǔ)等待執(zhí)行的任務(wù)，這個(gè)參數(shù)的選擇也很重要，會(huì)對(duì)線(xiàn)程池的運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生重大影響，一般來(lái)說(shuō)，這里的阻塞隊(duì)列有以下這幾種選擇：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue。

threadFactory

線(xiàn)程工廠(chǎng)，主要用來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程。

handler

表示當(dāng)拒絕處理任務(wù)時(shí)的策略，有以下四種取值：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丟棄任務(wù)并拋出 RejectedExecutionException 異常；
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務(wù)，但是不拋出異常；
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊(duì)列最前面的任務(wù)，然后重新嘗試執(zhí)行任務(wù)（重復(fù)此過(guò)程）；
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調(diào)用線(xiàn)程處理該任務(wù)。

上面這些參數(shù)是如何配合工作的呢？請(qǐng)看下圖：

注意圖上面的序號(hào)。

簡(jiǎn)單總結(jié)下線(xiàn)程池之間的參數(shù)協(xié)作分為以下幾步：

線(xiàn)程優(yōu)先向 CorePool 中提交；
在 Corepool 滿(mǎn)了之后，線(xiàn)程被提交到任務(wù)隊(duì)列，等待線(xiàn)程池空閑；
在任務(wù)隊(duì)列滿(mǎn)了之后 corePool 還沒(méi)有空閑，那么任務(wù)將被提交到 maxPool 中，如果 MaxPool 滿(mǎn)了之后執(zhí)行 task 拒絕策略。

流程圖如下：

以上就是原生線(xiàn)程池創(chuàng)建的核心原理。除了原生線(xiàn)程池之外并發(fā)包還提供了簡(jiǎn)單的創(chuàng)建方式，上面也說(shuō)了它們是對(duì)原生線(xiàn)程池的一種包裝，可以讓開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)單快捷的創(chuàng)建所需要的線(xiàn)程池。

Executors

newSingleThreadExecutor

創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程的線(xiàn)程池，在這個(gè)線(xiàn)程池中始終只有一個(gè)線(xiàn)程存在。如果線(xiàn)程池中的線(xiàn)程因?yàn)楫惓?wèn)題退出，那么會(huì)有一個(gè)新的線(xiàn)程來(lái)替代它。此線(xiàn)程池保證所有任務(wù)的執(zhí)行順序按照任務(wù)的提交順序執(zhí)行。

newFixedThreadPool

創(chuàng)建固定大小的線(xiàn)程池。每次提交一個(gè)任務(wù)就創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，直到線(xiàn)程達(dá)到線(xiàn)程池的***大小。線(xiàn)程池的大小一旦達(dá)到***值就會(huì)保持不變，如果某個(gè)線(xiàn)程因?yàn)閳?zhí)行異常而結(jié)束，那么線(xiàn)程池會(huì)補(bǔ)充一個(gè)新線(xiàn)程。

newCachedThreadPool

可根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整線(xiàn)程數(shù)量的線(xiàn)程池，線(xiàn)程池中的線(xiàn)程數(shù)量不確定，如果有空閑線(xiàn)程會(huì)優(yōu)先選擇空閑線(xiàn)程，如果沒(méi)有空閑線(xiàn)程并且此時(shí)有任務(wù)提交會(huì)創(chuàng)建新的線(xiàn)程。在正常開(kāi)發(fā)中并不推薦這個(gè)線(xiàn)程池，因?yàn)樵跇O端情況下，會(huì)因?yàn)?newCachedThreadPool 創(chuàng)建過(guò)多線(xiàn)程而耗盡 CPU 和內(nèi)存資源。

newScheduledThreadPool

此線(xiàn)程池可以指定固定數(shù)量的線(xiàn)程來(lái)周期性的去執(zhí)行。比如通過(guò) scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 來(lái)指定周期時(shí)間。

PS：另外在寫(xiě)定時(shí)任務(wù)時(shí)（如果不用 Quartz 框架），***采用這種線(xiàn)程池來(lái)做，因?yàn)樗梢员ＷC里面始終是存在活的線(xiàn)程的。

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