JAVA多線程(三) 線程池和鎖的深度化

 github演示代碼地址：https://github.com/showkawa/springBoot_2017/tree/master/spb-demo/spb-brian-query-service/src/main/java/com/kawa/thread

1.線程池

 1.1 線程池是什麼

Java中的線程池是運用場景最多的併發框架，幾乎全部須要異步或併發執行任務的程序均可以使用線程池。在開發過程當中，合理地使用線程池可以帶來3個好處。
第一：下降資源消耗。經過重複利用已建立的線程下降線程建立和銷燬形成的消耗。
第二：提升響應速度。當任務到達時，任務能夠不須要等到線程建立就能當即執行。
第三：提升線程的可管理性。線程是稀缺資源，若是無限制地建立，不只會消耗系統資源，還會下降系統的穩定性，使用線程池能夠進行統一分配、調優和監控。

1.2 線程池做用

線程池是爲忽然大量爆發的線程設計的，經過有限的幾個固定線程爲大量的操做服務，減小了建立和銷燬線程所需的時間，從而提升效率。
若是一個線程的時間很是長，就不必用線程池了(不是不能做長時間操做，而是不宜)，何況咱們還不能控制線程池中線程的開始、掛起、和停止。

1.3 線程池的分類

JDK1.5以後加入了java.util.concurrent包，java.util.concurrent包的加入給予開發人員開發併發程序以及解決併發問題很大的幫助。這篇文章主要介紹下併發包下的Executor接口，Executor接口雖然做爲一個很是舊的接口（JDK1.5 2004年發佈），可是不少程序員對於其中的一些原理仍是不熟悉，所以寫這篇文章來介紹下Executor接口，同時鞏固下本身的知識。

Executor框架的最頂層實現是ThreadPoolExecutor類，Executors工廠類中提供的newScheduledThreadPool、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool方法其實也只是ThreadPoolExecutor的構造函數參數不一樣而已。經過傳入不一樣的參數，就能夠構造出適用於不一樣應用場景下的線程池，那麼它的底層原理是怎樣實現的呢，這篇就來介紹下ThreadPoolExecutor線程池的運行過程。

corePoolSize： 核心池的大小。 當有任務來以後，就會建立一個線程去執行任務，當線程池中的線程數目達到corePoolSize後，就會把到達的任務放到緩存隊列當中
maximumPoolSize： 線程池最大線程數，它表示在線程池中最多能建立多少個線程；
keepAliveTime： 表示線程沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。
unit： 參數keepAliveTime的時間單位，有7種取值

Java經過Executors（jdk1.5併發包）提供四種線程池，分別爲：
newCachedThreadPool建立一個可緩存線程池，若是線程池長度超過處理須要，可靈活回收空閒線程，若無可回收，則新建線程。
案例演示:

newFixedThreadPool 建立一個定長線程池，可控制線程最大併發數，超出的線程會在隊列中等待。
newScheduledThreadPool 建立一個定長線程池，支持定時及週期性任務執行。
newSingleThreadExecutor 建立一個單線程化的線程池，它只會用惟一的工做線程來執行任務，保證全部任務按照指定順序(FIFO, LIFO, 優先級)執行

 

演示代碼: https://github.com/showkawa/springBoot_2017/tree/master/spb-demo/spb-brian-query-service/src/main/java/com/kawa/thread/threadpool

1.4 線程池的原理

提交一個任務到線程池中，線程池的處理流程以下：
1、判斷線程池裏的核心線程是否都在執行任務，若是不是（核心線程空閒或者還有核心線程沒有被建立）則建立一個新的工做線程來執行任務。
若是核心線程都在執行任務，則進入下個流程。
2、線程池判斷工做隊列是否已滿，若是工做隊列沒有滿，則將新提交的任務存儲在這個工做隊列裏。若是工做隊列滿了，則進入下個流程。
三、判斷線程池裏的線程是否都處於工做狀態，若是沒有，則建立一個新的工做線程來執行任務。若是已經滿了，則交給飽和策略來處理這個任務。

 

 

1.5 線程池的合理配置

要想合理的配置線程池，就必須首先分析任務特性，能夠從如下幾個角度來進行分析：
任務的性質：CPU密集型任務，IO密集型任務和混合型任務。
任務的優先級：高，中和低。
任務的執行時間：長，中和短。
任務的依賴性：是否依賴其餘系統資源，如數據庫鏈接。

任務性質不一樣的任務能夠用不一樣規模的線程池分開處理。CPU密集型任務配置儘量少的線程數量，如配置Ncpu+1個線程的線程池。
IO密集型任務則因爲須要等待IO操做，線程並非一直在執行任務，則配置儘量多的線程，如2*Ncpu。
混合型的任務，若是能夠拆分，則將其拆分紅一個CPU密集型任務和一個IO密集型任務，只要這兩個任務執行的時間相差不是太大，
那麼分解後執行的吞吐率要高於串行執行的吞吐率，若是這兩個任務執行時間相差太大，則不必進行分解。
咱們能夠經過Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法得到當前設備的CPU個數。
優先級不一樣的任務可使用優先級隊列PriorityBlockingQueue來處理。它可讓優先級高的任務先獲得執行，須要注意的是若是一直有優先級高的任務提交到隊列裏，
那麼優先級低的任務可能永遠不能執行。
執行時間不一樣的任務能夠交給不一樣規模的線程池來處理，或者也可使用優先級隊列，讓執行時間短的任務先執行。
依賴數據庫鏈接池的任務，由於線程提交SQL後須要等待數據庫返回結果，若是等待的時間越長CPU空閒時間就越長，那麼線程數應該設置越大，這樣才能更好的利用CPU。

CPU密集型時，任務能夠少配置線程數，大概和機器的cpu核數至關，這樣可使得每一個線程都在執行任務
IO密集型時，大部分線程都阻塞，故須要多配置線程數，2*cpu核數
操做系統之名稱解釋：
某些進程花費了絕大多數時間在計算上，而其餘則在等待I/O上花費了大可能是時間，
前者稱爲計算密集型（CPU密集型）computer-bound，後者稱爲I/O密集型，I/O-bound。

 

2.鎖的深度化

2.1 悲觀鎖，樂觀鎖

悲觀鎖:悲觀鎖悲觀的認爲每一次操做都會形成更新丟失問題，在每次查詢時加上排他鎖。
每次去拿數據的時候都認爲別人會修改，因此每次在拿數據的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數據就會block直到它拿到鎖。
傳統的關係型數據庫裏邊就用到了不少這種鎖機制，好比行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在作操做以前先上鎖。
Select * from xxx for update;
樂觀鎖:樂觀鎖會樂觀的認爲每次查詢都不會形成更新丟失,利用版本字段控制

2.2 重入鎖

鎖做爲併發共享數據，保證一致性的工具，在JAVA平臺有多種實現(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。這些已經寫好提供的鎖爲咱們開發提供了便利。
重入鎖，也叫作遞歸鎖，指的是同一線程 外層函數得到鎖以後 ，內層遞歸函數仍然有獲取該鎖的代碼，但不受影響。
在JAVA環境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入鎖

 演示代碼：https://github.com/showkawa/springBoot_2017/blob/master/spb-demo/spb-brian-query-service/src/main/java/com/kawa/thread/lock/ReentrantLockThread.java

2.3 讀寫鎖

相比Java中的鎖(Locks in Java)裏Lock實現，讀寫鎖更復雜一些。假設你的程序中涉及到對一些共享資源的讀和寫操做，且寫操做沒有讀操做那麼頻繁。
在沒有寫操做的時候，兩個線程同時讀一個資源沒有任何問題，因此應該容許多個線程能在同時讀取共享資源。
可是若是有一個線程想去寫這些共享資源，就不該該再有其它線程對該資源進行讀或寫（也就是說：讀-讀能共存，讀-寫不能共存，寫-寫不能共存）。
這就須要一個讀/寫鎖來解決這個問題。Java5在java.util.concurrent包中已經包含了讀寫鎖。

 演示代碼：https://github.com/showkawa/springBoot_2017/blob/master/spb-demo/spb-brian-query-service/src/main/java/com/kawa/thread/lock/WriteReadLockThread.java

2.4 CAS無鎖機制

 

（1）與鎖相比，使用比較交換（下文簡稱CAS）會使程序看起來更加複雜一些。但因爲其非阻塞性，它對死鎖問題天生免疫，而且，線程間的相互影響也遠遠比基於鎖的方式要小。
更爲重要的是，使用無鎖的方式徹底沒有鎖競爭帶來的系統開銷，也沒有線程間頻繁調度帶來的開銷，所以，它要比基於鎖的方式擁有更優越的性能。
（2）無鎖的好處：
第一，在高併發的狀況下，它比有鎖的程序擁有更好的性能；
第二，它天生就是死鎖免疫的。
就憑藉這兩個優點，就值得咱們冒險嘗試使用無鎖的併發。
（3）CAS算法的過程是這樣：它包含三個參數CAS(V,E,N): V表示要更新的變量，E表示預期值，N表示新值。僅當V值等於E值時，纔會將V的值設爲N，若是V值和E值不一樣，
則說明已經有其餘線程作了更新，則當前線程什麼都不作。最後，CAS返回當前V的真實值。
（4）CAS操做是抱着樂觀的態度進行的，它老是認爲本身能夠成功完成操做。當多個線程同時使用CAS操做一個變量時，只有一個會勝出，併成功更新，其他均會失敗。
失敗的線程不會被掛起，僅是被告知失敗，而且容許再次嘗試，固然也容許失敗的線程放棄操做。基於這樣的原理，CAS操做即便沒有鎖，也能夠發現其餘線程對當前線程的干擾，
並進行恰當的處理。

 

2.5 自旋鎖

自旋鎖是採用讓當前線程不停地的在循環體內執行實現的，當循環的條件被其餘線程改變時 才能進入臨界區。

 

public class Test implements Runnable {
    static int sum;
    private SpinLock lock;

    public Test(SpinLock lock) {
        this.lock = lock;
    }

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SpinLock lock = new SpinLock();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Test test = new Test(lock);
            Thread t = new Thread(test);
            t.start();
        }

        Thread.currentThread().sleep(1000);
        System.out.println(sum);
    }

    @Override
    public void run() {
        this.lock.lock();

           this.lock.lock();

           sum++;

           this.lock.unlock();

           this.lock.unlock();

     }

}

當一個線程 調用這個不可重入的自旋鎖去加鎖的時候沒問題，當再次調用lock()的時候，由於自旋鎖的持有引用已經不爲空了，該線程對象會誤認爲是別人的線程持有了自旋鎖

使用了CAS原子操做，lock函數將owner設置爲當前線程，而且預測原來的值爲空。unlock函數將owner設置爲null，而且預測值爲當前線程。

當有第二個線程調用lock操做時因爲owner值不爲空，致使循環一直被執行，直至第一個線程調用unlock函數將owner設置爲null，第二個線程才能進入臨界區。

因爲自旋鎖只是將當前線程不停地執行循環體，不進行線程狀態的改變，因此響應速度更快。但當線程數不停增長時，性能降低明顯，由於每一個線程都須要執行，佔用CPU時間。若是線程競爭不激烈，而且保持鎖的時間段。適合使用自旋鎖。