一、多线程详解

1、什么是线程

线程是一个操作系统概念。操作系统负责这个线程的创建、挂起、运行、阻塞和终结操作。而操作系统创建线程、切换线程状态、终结线程都要进行CPU调度——这是一个耗费时间和系统资源的事情。

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2、线程生命周期

线程通常都有五种状态，创建、就绪、运行、阻塞和死亡：

创建状态。在生成线程对象，并没有调用该对象的start方法，这是线程处于创建状态。就绪状态。当调用了线程对象的start方法之后，该线程就进入了就绪状态，但是此时线程调度程序还没有把该线程设置为当前线程，此时处于就绪状态。在线程运行之后，从等待或者睡眠中回来之后，也会处于就绪状态。运行状态。线程调度程序将处于就绪状态的线程设置为当前线程，此时线程就进入了运行状态，开始运行run函数当中的代码。阻塞状态。线程正在运行的时候，被暂停，通常是为了等待某个时间的发生(比如说某项资源就绪)之后再继续运行。sleep,suspend，wait等方法都可以导致线程阻塞。死亡状态。如果一个线程的run方法执行结束或者调用stop方法后，该线程就会死亡。对于已经死亡的线程，无法再使用start方法令其进入就绪。

可以用过jstack 或者idea debug快照显示状态，常见名词大致意思为：

"Low Memory Detector"：负责对可使用内存进行检测，如果发现可用内存低，分配新的内存空间。"CompilerThread0"：用来调用JITing，实时编译装卸class。"Signal Dispatcher"：负责分发内部事件。"Finalizer"：负责调用Finalizer方法。"Reference Handler"：负责处理引用。"main"：是主线程。"VM Thread"， "VM Periodic Task Thread"：从名字上看是虚机内部线程。

3、线程状态描述

NEW：状态是指线程刚创建, 尚未启动。RUNNABLE：状态是线程正在正常运行中, 当然可能会有某种耗时计算/IO等待的操作/CPU时间片切换等, 这个状态下发生的等待一般是其他系统资源, 而不是锁, Sleep等BLOCKED：这个状态下, 是在多个线程有同步操作的场景, 比如正在等待另一个线程的synchronized 块的执行释放, 或者可重入的 synchronized块里别人调用wait() 方法, 也就是这里是线程在等待进入临界区WAITING：这个状态下是指线程拥有了某个锁之后, 调用了他的wait方法, 等待其他线程/锁拥有者调用 notify / notifyAll 一般该线程可以继续下一步操作TIMED_WAITING： 这个状态就是有限的(时间限制)的WAITING, 一般出现在调用wait(long), join(long)等情况下, 另外一个线程sleep后, 也会进入TIMED_WAITING状态TERMINATED：这个状态下表示 该线程的run方法已经执行完毕了, 基本上就等于死亡了(当时如果线程被持久持有, 可能不会被回收)

要区分 BLOCKED 和 WATING 的区别, 一个是在临界点外面等待进入, 一个是在理解点里面wait等待别人notify, 线程调用了join方法 join了另外的线程的时候, 也会进入WAITING状态, 等待被他join的线程执行结束。核心区别就是BLOCKED没拿到锁，WAITING拿到了锁。

4、线程优先级Priority

线程的优先级是将该线程的重要性传给了调度器、cpu处理线程顺序有一定的不确定，但是调度器会倾向于优先权高的先执行。

5、线程实现方式

线程有三种实现方式：Thread、Runnable、Callable。

Thread实现方式代码如下：

public class Thread01 extends Thread {@Overridepublic void run() {System.out.println("Thread 方式创建线程");}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread01().start();//多线程}}

Runnable实现方式：

public class Runnable01 implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("Runnable方式创建线程");}public static void main(String[] args) {new Thread(new Runnable01()).start();}}

Callable实现方式：

public class Callable01 implements Callable<String> {@Overridepublic String call() throws Exception {System.out.println("Callable方式创建线程");return "Callable";}public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {FutureTask task=new FutureTask(new Callable01());//有参 赋值 成员属性new Thread(task).start();System.out.println( task.get());;}}

6、Thread和Runnable的联系与区别

Runnable的实现方式是实现其接口即可。Thread的实现方式是继承其类。Runnable接口支持多继承，但基本上用不到。Thread实现了Runnable接口并进行了扩展，而Thread和Runnable的实质是实现的关系，不是同类东西，所以Runnable或Thread本身没有可比性。public class Thread implements Runnable { // 省略 @Override public void run() { if (target != null) { target.run(); } } // 省略 }

综上所述：Thread和Runnable的实质是继承关系，没有可比性。无论使用Runnable还是Thread，都会new Thread，然后执行run方法。用法上，如果有复杂的线程操作需求，那就选择继承Thread，如果只是简单的执行一个任务，那就实现runnable。

7、Callable原理是什么

Callable 1.5引入，具有返回值，并且支持泛型：

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

返回加入泛型既可以返回Object，也可以让调用限定类型，更灵活。Callble相关源码如下：

public interface Future<V> {boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);boolean isCancelled();boolean isDone();V get() throws InterruptedException, ExecutionException;V get(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;}public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {void run();}public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {private Callable<V> callable;public void run() {if (state != NEW ||!pareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))return;try {Callable<V> c = callable;if (c != null && state == NEW) {V result;boolean ran;try {result = c.call();ran = true;} catch (Throwable ex) {result = null;ran = false;setException(ex);}if (ran)set(result);}} finally {// runner must be non-null until state is settled to// prevent concurrent calls to run()runner = null;// state must be re-read after nulling runner to prevent// leaked interruptsint s = state;if (s >= INTERRUPTING)handlePossibleCancellationInterrupt(s);}}}

我们在使用以下代码构建task时，实际上在FutureTask类的构造方法就给自己的属性callable进行了赋值。

FutureTask task=new FutureTask(new Callable01());

而可以看到FutureTask实际上也是一个Runnable的具体实现，因此可以使用以下方法进行task执行(和Runnable的使用方式一致)：

new Thread(task).start();

调用start方法，实际上就是调用Runnable的run方法，因此调用了FutureTask的run方法，然后这个新起的线程采用方法调用方式调用了具体Callable实现类的call方法，并将返回值进行set，因此我们可以通过task.get()方法获取执行结果。

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8、和使用线程池有什么不一样

看以下代码：

public class ThreadPkTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Long start= System.currentTimeMillis();final List<Integer> l=new ArrayList<Integer>();final Random random=new Random();for(int i=0;i<10000;i++){Thread thread=new Thread(){public void run(){l.add(random.nextInt());}};thread.start();thread.join();}System.out.println("直接创建线程执行时间:"+(System.currentTimeMillis()-start));System.out.println("size:"+l.size());start= System.currentTimeMillis();final List<Integer> list=new ArrayList<Integer>();ExecutorService executorService= Executors.newSingleThreadExecutor();for(int i=0;i<10000;i++){executorService.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {list.add(random.nextInt());}});}executorService.shutdown();executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);System.out.println("线程池执行时间:"+(System.currentTimeMillis()-start));System.out.println("size:"+list.size());}}

执行结果如下：

直接创建线程执行时间:1601size:10000线程池执行时间:33size:10000

由此可以对比线程池效率要高出很多，是什么原因呢？大致有这么几点：

避免线程的创建和销毁带来的性能开销；避免大量的线程因为互相抢占系统资源导致的阻塞现象；能够对线程进行简单的管理并提供定时执行、间隔执行等功能(和性能无关)。

那我们接下来就核心进行线程池的研究。

二、线程池代码详解

1、线程池使用示例

首先我们来看下如何使用线程池，线程持有submit以及execute两种写法，代码如下：

public class ThreadPool01 {public static void main(String[] args) {ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();executorService.submit(()-> System.out.println("Submit方式执行optimized"));executorService.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("Submit方式执行");}});executorService.execute(()-> System.out.println("Execute方式执行optimized"));executorService.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("Execute方式执行");}});executorService.shutdown();}}

2、线程池类、接口

然后我们来看看线程池有哪些类与接口，核心如图所示：

如图所示，有这么一些重要的接口与类，如下表所示：

3、线程池执行流程

3.1、初始化ThreadPoolExecutor

不管我们是通过Executors工具类快速初始化线程池，还是手动配置线程池参数，我们第一步都是初始化线程池：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();//快速构建ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5,//手动构建0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>(),Executors.defaultThreadFactory())

参数详情如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, //核心线程数大小 - 10int maximumPoolSize, //最大线程数 - 100long keepAliveTime, //非核心线程存活时间TimeUnit unit, //时间单位BlockingQueue<Runnable> workQueue, //存放任务的阻塞队列ThreadFactory threadFactory, //创建线程的工厂RejectedExecutionHandler handler //拒绝策略)

3.2、调用execute、submit执行

我们知道有两种方式，分别是submit和execute，但是底层核心都是调用execute，无非是submit有返回，execute无返回。代码如下：

public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {if (task == null) throw new NullPointerException();RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);execute(ftask);return ftask;}

但是其实execute和submit还有点不同，就是task类型不一样，submit类型是FutureTask，而execute的task类型是线程池运行的run方法所属类的类型。

3.3、核心、非核心线程协作原理

如execute方法中的代码所示：

public void execute(Runnable command) {if (command == null)throw new NullPointerException();int c = ctl.get();if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {if (addWorker(command, true))return;c = ctl.get();}if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {int recheck = ctl.get();if (! isRunning(recheck) && remove(command))reject(command);else if (workerCountOf(recheck) == 0)addWorker(null, false);}else if (!addWorker(command, false))reject(command);}

如上四处代码，如下图所示四种不同规则所示：

所以当一个任务通过execute(Runnable)方法添加到线程池时：

如果此时线程池中的数量小于corePoolSize，创建新的核心线程来处理被添加的任务。如果此时线程池中的数量等于 corePoolSize，则新任务被添加到workQueue队列中，直到workQueue队列满，但不超过maximumPoolSize。如果此时线程池中的数量大于corePoolSize，缓冲队列workQueue满，并且线程池中的数量小于maximumPoolSize，建新的非核心线程来处理被添加的任务。如果此时线程池中的数量大于corePoolSize，缓冲队列workQueue满，并且线程池中的数量等于maximumPoolSize，那么通过 handler所指定的策略来处理此任务。

综上所述：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。

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3.4、创建Worker对象addWorker

Worker是一个实现了Runnable接口的类，Worker的执行最终会调用我们提交的任务中的run()方法。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {}

创建Worker对象代码如下：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {retry:for (int c = ctl.get();;) {// Check if queue empty only if necessary.if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)&& (runStateAtLeast(c, STOP)|| firstTask != null|| workQueue.isEmpty()))return false;for (;;) {if (workerCountOf(c)>= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK))return false;if (compareAndIncrementWorkerCount(c))break retry;c = ctl.get(); // Re-read ctlif (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN))continue retry;// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop}}boolean workerStarted = false;boolean workerAdded = false;Worker w = null;try {w = new Worker(firstTask);final Thread t = w.thread;if (t != null) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {// Recheck while holding lock.// Back out on ThreadFactory failure or if// shut down before lock acquired.int c = ctl.get();if (isRunning(c) ||(runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {if (t.isAlive()) // precheck that t is startablethrow new IllegalThreadStateException();workers.add(w);int s = workers.size();if (s > largestPoolSize)largestPoolSize = s;workerAdded = true;}} finally {mainLock.unlock();}if (workerAdded) {t.start();//此处会调用Worker这个Thread包装类的start方法，start方法会调用run方法，run方法会调用runWorker方法。workerStarted = true;}}} finally {if (! workerStarted)addWorkerFailed(w);}return workerStarted;}

3.5、启动worker对象

启动worker对象如下代码所示：

final void runWorker(Worker w) {Thread wt = Thread.currentThread();Runnable task = w.firstTask;w.firstTask = null;w.unlock(); // allow interruptsboolean completedAbruptly = true;try {while (task != null || (task = getTask()) != null) {w.lock();// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;// if not, ensure thread is not interrupted. This// requires a recheck in second case to deal with// shutdownNow race while clearing interruptif ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||(Thread.interrupted() &&runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&!wt.isInterrupted())wt.interrupt();try {beforeExecute(wt, task);try {task.run();afterExecute(task, null);} catch (Throwable ex) {afterExecute(task, ex);throw ex;}} finally {task = null;pletedTasks++;w.unlock();}}completedAbruptly = false;} finally {processWorkerExit(w, completedAbruptly);}}

Worker启动后，会执行我们提交的任务的run()方法，执行完成后会调用finally中的processWorkerExit方法。

3.6、循环调用Worker

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusteddecrementWorkerCount();final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {completedTaskCount += pletedTasks;workers.remove(w);} finally {mainLock.unlock();}tryTerminate();int c = ctl.get();if (runStateLessThan(c, STOP)) {if (!completedAbruptly) {int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())min = 1;if (workerCountOf(c) >= min)return; // replacement not needed}addWorker(null, false);}}

由此可知，调用循环进入到了3.4。

4、什么是Worker

Worker是ThreadPoolExecutor类的一个内部类，这里Worker就是thread和task的一个包装类，它的职能就是控制中断和任务的运行。Worker是一个集成了AQS，实现了Runnable方法的内部类。Worker创建好后，通过new好的线程来运行任务。Worker本身不运行run，而是里面thread通过start运行这个方法。核心Worker通过while不断从队列中取出任务(addWorker入参为null时从队列取，否则就说明是新添加到队列要执行的任务)，任务队列为空线程就阻塞；非核心Worker也是通过while不断取任务，只是有个取任务时keepAliveTime的超时时间，在时间之内取不到的任务的话线程就跳出循环，自动销毁了。

5、拒绝策略

有四种拒绝策略，分别如下：

AbortPolicy (默认)：当任务添加到线程池中被拒绝时，它将抛出 RejectedExecutionException 异常。CallerRunsPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，会在线程池当前正在运行的Thread线程池中处理被拒绝的任务。DiscardOldestPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池会放弃等待队列中最旧的未处理任务，然后将被拒绝的任务添加到等待队列中DiscardPolicy：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池将丢弃被拒绝的任务。

6、Java中提供的几种快捷线程池

newFixedThreadPool；通过创建一个corePoolSize和maximumPoolSize相同的线程池。使用LinkedBlockingQuene作为阻塞队列，不过当线程池没有可执行任务时，也不会释放线程。newCachedThreadPool：初始化一个可以缓存线程的线程池，默认缓存60s，线程池的线程数可达到Integer.MAX_VALUE，即2147483647，内部使用SynchronousQueue作为阻塞队列；和newFixedThreadPool创建的线程池不同，newCachedThreadPool在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime，会自动释放线程资源，当提交新任务时，如果没有空闲线程，则创建新线程执行任务，会导致一定的系统开销；newSingleThreadExecutor；初始化的线程池中只有一个线程，如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行，内部使用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列。newScheduledThreadPool；初始化的线程池可以在指定的时间内周期性的执行所提交的任务，在实际的业务场景中可以使用该线程池定期的同步数据。除了newScheduledThreadPool的内部实现特殊一点之外，其它几个线程池都是基于ThreadPoolExecutor类实现的。

7、newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool是一个可以在指定的时间内周期性执行所提交的任务，有以下两种模式：

scheduleWithFixedDelay：上一个任务执行完的时间后固定时间，与任务执行时间有关scheduleAtFixedRate：固定速率，与任务执行所需时间无关

其核心代码差别为：

public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit) {if (command == null || unit == null)throw new NullPointerException();if (period <= 0L)throw new IllegalArgumentException();ScheduledFutureTask<Void> sft =new ScheduledFutureTask<Void>(command,null,triggerTime(initialDelay, unit),unit.toNanos(period),sequencer.getAndIncrement());RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);sft.outerTask = t;delayedExecute(t);return t;}public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit) {if (command == null || unit == null)throw new NullPointerException();if (delay <= 0L)throw new IllegalArgumentException();ScheduledFutureTask<Void> sft =new ScheduledFutureTask<Void>(command,null,triggerTime(initialDelay, unit),-unit.toNanos(delay),sequencer.getAndIncrement());RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);sft.outerTask = t;delayedExecute(t);return t;}

两者区别就是都会执行这段核心代码：

private void setNextRunTime() {long p = period;if (p > 0)time += p;elsetime = triggerTime(-p);}