深刻理解 Java 多線程核心知識：跳槽面試必備

多線程相對於其餘 Java 知識點來說，有必定的學習門檻，而且瞭解起來比較費勁。在平時工做中如若使用不當會出現數據錯亂、執行效率低（還不如單線程去運行）或者死鎖程序掛掉等等問題，因此掌握瞭解多線程相當重要。

本文從基礎概念開始到最後的併發模型由淺入深，講解下線程方面的知識。

概念梳理

本節我將帶你們瞭解多線程中幾大基礎概念。

併發與並行

並行，表示兩個線程同時作事情。

併發，表示一會作這個事情，一會作另外一個事情，存在着調度。單核 CPU 不可能存在並行（微觀上）。

臨界區

臨界區用來表示一種公共資源或者說是共享數據，能夠被多個線程使用。可是每一次，只能有一個線程使用它，一旦臨界區資源被佔用，其餘線程要想使用這個資源，就必須等待。

阻塞與非阻塞

阻塞和非阻塞一般用來形容多線程間的相互影響。好比一個線程佔用了臨界區資源，那麼其它全部須要這個資源的線程就必須在這個臨界區中進行等待，等待會致使線程掛起。這種狀況就是阻塞。

此時，若是佔用資源的線程一直不肯意釋放資源，那麼其它全部阻塞在這個臨界區上的線程都不能工做。阻塞是指線程在操做系統層面被掛起。阻塞通常性能很差，需大約8萬個時鐘週期來作調度。

非阻塞則容許多個線程同時進入臨界區。

死鎖

死鎖是進程死鎖的簡稱，是指多個進程循環等待他方佔有的資源而無限的僵持下去的局面。

活鎖

假設有兩個線程一、2，它們都須要資源 A/B，假設1號線程佔有了 A 資源，2號線程佔有了 B 資源；因爲兩個線程都須要同時擁有這兩個資源才能夠工做，爲了不死鎖，1號線程釋放了 A 資源佔有鎖，2號線程釋放了 B 資源佔有鎖；此時 AB 空閒，兩個線程又同時搶鎖，再次出現上述狀況，此時發生了活鎖。

簡單類比，電梯遇到人，一個進的一個出的，對面佔路，兩我的同時往一個方向讓路，來回重複，仍是堵着路。

若是線上應用遇到了活鎖問題，恭喜你中獎了，這類問題比較難排查。

飢餓

飢餓是指某一個或者多個線程由於種種緣由沒法得到所須要的資源，致使一直沒法執行。

線程的生命週期

在線程的生命週期中，它要經歷建立、可運行、不可運行幾種狀態。

建立狀態

當用 new 操做符建立一個新的線程對象時，該線程處於建立狀態。

處於建立狀態的線程只是一個空的線程對象，系統不爲它分配資源。

可運行狀態

執行線程的 start() 方法將爲線程分配必須的系統資源，安排其運行，並調用線程體——run()方法，這樣就使得該線程處於可運行狀態（Runnable）。

這一狀態並非運行中狀態（Running），由於線程也許實際上並未真正運行。

不可運行狀態

當發生下列事件時，處於運行狀態的線程會轉入到不可運行狀態：

• 調用了 sleep() 方法；
• 線程調用 wait() 方法等待特定條件的知足；
• 線程輸入/輸出阻塞；
• 返回可運行狀態；
• 處於睡眠狀態的線程在指定的時間過去後；
• 若是線程在等待某一條件，另外一個對象必須經過 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待線程條件的改變；
• 若是線程是由於輸入輸出阻塞，等待輸入輸出完成。

線程的優先級

線程優先級及設置

線程的優先級是爲了在多線程環境中便於系統對線程的調度，優先級高的線程將優先執行。一個線程的優先級設置聽從如下原則：

• 線程建立時，子繼承父的優先級；
• 線程建立後，可經過調用 setPriority() 方法改變優先級；
• 線程的優先級是1-10之間的正整數。

線程的調度策略

線程調度器選擇優先級最高的線程運行。可是，若是發生如下狀況，就會終止線程的運行：

• 線程體中調用了 yield() 方法，讓出了對 CPU 的佔用權；
• 線程體中調用了 sleep() 方法，使線程進入睡眠狀態；
• 線程因爲 I/O 操做而受阻塞；
• 另外一個更高優先級的線程出現；
• 在支持時間片的系統中，該線程的時間片用完。

單線程建立方式

單線程建立方式比較簡單，通常只有兩種方式：繼承 Thread 類和實現 Runnable 接口；這兩種方式比較經常使用就不在 Demo 了，可是對於新手須要注意的問題有：

• 不論是繼承 Thread 類仍是實現 Runable 接口，業務邏輯是寫在 run 方法裏面，線程啓動的時候是執行 start() 方法；
• 開啓新的線程，不影響主線程的代碼執行順序也不會阻塞主線程的執行；
• 新的線程和主線程的代碼執行順序是不可以保證前後的；
• 對於多線程程序，從微觀上來說某一時刻只有一個線程在工做，多線程目的是讓 CPU 忙起來；
• 經過查看 Thread 的源碼能夠看到，Thread 類是實現了 Runnable 接口的，因此這兩種本質上來說是一個；

PS：平時在工做中也能夠借鑑這種代碼結構，對上層調用來說提供更多的選擇，做爲服務提供方核心業務歸一維護

爲何要用線程池

經過上面的介紹，徹底能夠開發一個多線程的程序，爲何還要引入線程池呢。主要是由於上述單線程方式存在如下幾個問題：

• 線程的工做週期：線程建立所需時間爲 T1，線程執行任務所需時間爲 T2，線程銷燬所需時間爲 T3，每每是 T1+T3 大於 T2，全部若是頻繁建立線程會損耗過多額外的時間；
• 若是有任務來了，再去建立線程的話效率比較低，若是從一個池子中能夠直接獲取可用的線程，那效率會有所提升。因此線程池省去了任務過來，要先建立線程再去執行的過程，節省了時間，提高了效率；
• 線程池能夠管理和控制線程，由於線程是稀缺資源，若是無限制的建立，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的分配，調優和監控；
• 線程池提供隊列，存放緩衝等待執行的任務。

大體總結了上述的幾個緣由，因此能夠得出一個結論就是在平時工做中，若是要開發多線程程序，儘可能要使用線程池的方式來建立和管理線程。

經過線程池建立線程從調用 API 角度來講分爲兩種，一種是原生的線程池，另外該一種是經過 Java 提供的併發包來建立，後者比較簡單，後者實際上是對原生的線程池建立方式作了一次簡化包裝，讓調用者使用起來更方便，但道理都是同樣的。因此搞明白原生線程池的原理是很是重要的。

ThreadPoolExecutor

經過 ThreadPoolExecutor 建立線程池，API 以下所示：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue);

先來解釋下其中的參數含義（若是看的比較模糊能夠大體有個印象，後面的圖是關鍵）。

• corePoolSize
• 核心池的大小。

在建立了線程池後，默認狀況下，線程池中並無任何線程，而是等待有任務到來才建立線程去執行任務，除非調用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，從這兩個方法的名字就能夠看出，是預建立線程的意思，即在沒有任務到來以前就建立 corePoolSize 個線程或者一個線程。默認狀況下，在建立了線程池後，線程池中的線程數爲0，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，這個參數也是一個很是重要的參數，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。默認狀況下，只有當線程池中的線程數大於 corePoolSize 時，keepAliveTime 纔會起做用，直到線程池中的線程數不大於 corePoolSize，即當線程池中的線程數大於 corePoolSize 時，若是一個線程空閒的時間達到 keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數不超過 corePoolSize。

可是若是調用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，在線程池中的線程數不大於 corePoolSize 時，keepAliveTime 參數也會起做用，直到線程池中的線程數爲0。

• unit

參數 keepAliveTime 的時間單位。

• workQueue

一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，這個參數的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產生重大影響，通常來講，這裏的阻塞隊列有如下這幾種選擇：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue。

• threadFactory

線程工廠，主要用來建立線程。

• handler

表示當拒絕處理任務時的策略，有如下四種取值：

1. ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丟棄任務並拋出 RejectedExecutionException 異常；
2. ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，可是不拋出異常；
3. ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，而後從新嘗試執行任務（重複此過程）；
4. ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務。

上面這些參數是如何配合工做的呢？請看下圖：

注意圖上面的序號。

簡單總結下線程池之間的參數協做分爲如下幾步：

1. 線程優先向 CorePool 中提交；
2. 在 Corepool 滿了以後，線程被提交到任務隊列，等待線程池空閒；
3. 在任務隊列滿了以後 corePool 尚未空閒，那麼任務將被提交到 maxPool 中，若是 MaxPool 滿了以後執行 task 拒絕策略。

流程圖以下：

以上就是原生線程池建立的核心原理。除了原生線程池以外併發包還提供了簡單的建立方式，上面也說了它們是對原生線程池的一種包裝，可讓開發者簡單快捷的建立所須要的線程池。

Executors

newSingleThreadExecutor

建立一個線程的線程池，在這個線程池中始終只有一個線程存在。若是線程池中的線程由於異常問題退出，那麼會有一個新的線程來替代它。此線程池保證全部任務的執行順序按照任務的提交順序執行。

newFixedThreadPool

建立固定大小的線程池。每次提交一個任務就建立一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，若是某個線程由於執行異常而結束，那麼線程池會補充一個新線程。

newCachedThreadPool

可根據實際狀況，調整線程數量的線程池，線程池中的線程數量不肯定，若是有空閒線程會優先選擇空閒線程，若是沒有空閒線程而且此時有任務提交會建立新的線程。在正常開發中並不推薦這個線程池，由於在極端狀況下，會由於 newCachedThreadPool 建立過多線程而耗盡 CPU 和內存資源。

newScheduledThreadPool

此線程池能夠指定固定數量的線程來週期性的去執行。好比經過 scheduleAtFixedRate 或者 scheduleWithFixedDelay 來指定週期時間。

PS：另外在寫定時任務時（若是不用 Quartz 框架），最好採用這種線程池來作，由於它能夠保證裏面始終是存在活的線程的。

推薦使用 ThreadPoolExecutor 方式

在阿里的 Java 開發手冊時有一條是不推薦使用 Executors 去建立，而是推薦去使用 ThreadPoolExecutor 來建立線程池。

這樣作的目的主要緣由是：使用 Executors 建立線程池不會傳入核心參數，而是採用的默認值，這樣的話咱們每每會忽略掉裏面參數的含義，若是業務場景要求比較苛刻的話，存在資源耗盡的風險；另外採用 ThreadPoolExecutor 的方式可讓咱們更加清楚地瞭解線程池的運行規則，不論是面試仍是對技術成長都有莫大的好處。

改了變量，其餘線程能夠當即知道。保證可見性的方法有如下幾種：

• volatile

加入 volatile 關鍵字的變量在進行彙編時會多出一個 lock 前綴指令，這個前綴指令至關於一個內存屏障，內存屏障能夠保證內存操做的順序。當聲明爲 volatile 的變量進行寫操做時，那麼這個變量須要將數據寫到主內存中。

因爲處理器會實現緩存一致性協議，因此寫到主內存後會致使其餘處理器的緩存無效，也就是線程工做內存無效，須要從主內存中從新刷新數據。

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