一、线程
1、什么是线程
线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际 运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线 程并行执行不同的任务。
2、如何创建线程
2.1、JAVA 中创建线程
/** * 继承Thread类，重写run方法 */class MyThread extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("myThread..." + Thread.currentThread().getName());} }
/** * 实现Runnable接口，实现run方法 */class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("MyRunnable..." + Thread.currentThread().getName());} }
/** * 实现Callable接口，指定返回类型，实现call方法 */class MyCallable implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { return "MyCallable..." + Thread.currentThread().getName();} }
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2.2、测试一下
public static void main(String[] args) throws Exception { MyThread thread = new MyThread(); thread.run(); //myThread...main thread.start(); //myThread...Thread-0 MyRunnable myRunnable = new MyRunnable(); Thread thread1 = new Thread(myRunnable); myRunnable.run(); //MyRunnable...main thread1.start(); //MyRunnable...Thread-1 MyCallable myCallable = new MyCallable(); FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(myCallable); Thread thread2 = new Thread(futureTask); thread2.start(); System.out.println(myCallable.call()); //MyCallable...main System.out.println(futureTask.get()); //MyCallable...Thread-2
}
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2.3、问题
既然我们创建了线程，那为何我们直接调用方法和我们调用 start()方法的结果不同?new Thread() 是否真实创建了线程?
2.4、问题分析
我们直接调用方法，可以看到是执行的主线程，而调用 start()方法就是开启了新线程，那说明 new Thread()并没有创建线程，而是在 start()中创建了线程。
那我们看下 Thread 类 start()方法:
class Thread implements Runnable { //Thread类实现了Runnalbe接口，实现了run()方法 private Runnable target;
public synchronized void start() { ...
boolean started = false; try { start0(); //可以看到，start()方法真实的调用时start0()方法 started = true; } finally { ... } } private native void start0(); //start0()是一个native方法，由JVM调用底层操作系统，开启一个线程，由操作系统过统一调度
@Override public void run() { if (target != null) { target.run(); //操作系统在执行新开启的线程时，回调Runnable接口的run()方法，执行我们预设的线程任务
} } }
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2.5、总结
JAVA 不能直接创建线程执行任务，而是通过创建 Thread 对象调用操作系统开启线程，在由操作系 统回调 Runnable 接口的 run()方法执行任务;
实现 Runnable 的方式，将线程实际要执行的回调任务单独提出来了，实现线程的启动与回调任务 解耦;
实现 Callable 的方式，通过 Future 模式不但将线程的启动与回调任务解耦，而且可以在执行完成后 获取到执行的结果;
二、多线程
1、什么是多线程
多线程(multithreading)，是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。同一个线程只 能处理完一个任务在处理下一个任务，有时我们需要多个任务同时处理，这时，我们就需要创建多 个线程来同时处理任务。
2、多线程有什么好处
2.1、串行处理
public static void main(String[] args) throws Exception { System.out.println("start..."); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 5; i++) { Thread.sleep(2000); //每个任务执行2秒 System.out.println("task done..."); //处理执行结果 } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("end...,time = " + (end - start));}//执行结果start...task done...task done...task done...task done...task done... end...,time = 10043
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2.2、并行处理
public static void main(String[] args) throws Exception { System.out.println("start..."); long start = System.currentTimeMillis(); List<Future> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) { Callable<String> callable = new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(2000); //每个任务执行2秒 return "task done..."; }
}; FutureTask task = new FutureTask(callable); list.add(task); new Thread(task).start();
} list.forEach(future -> { try { System.out.println(future.get()); //处理执行结果 } catch (Exception e) { } }); long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("end...,time = " + (end - start));
} //执行结果 start... task done... task done... task done... task done... task done... end...,time = 2005
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2.3、总结
多线程可以把一个任务拆分为几个子任务，多个子任务可以并发执行，每一个子任务就是一个线程。
多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统 的效率。
2.4、多线程的问题
上面示例中我们可以看到，如果每来一个任务，我们就创建一个线程，有很多任务的情况下，我们 会创建大量的线程，可能会导致系统资源的耗尽。同时，我们知道线程的执行是需要抢占 CPU 资源 的，那如果有太多的线程，就会导致大量时间用在线程切换的开销上。
再有，每来一个任务都需要创建一个线程，而创建一个线程需要调用操作系统底层方法，开销较 大，而线程执行完成后就被回收了。在需要大量线程的时候，创建线程的时间就花费不少了。
三、线程池
1、如何设计一个线程池
由于多线程的开发存在上述的一些问题，那我们是否可以设计一个东西来避免这些问题呢?当然可以! 线程池就是为了解决这些问题而生的。那我们该如何设计一个线程池来解决这些问题呢?或者说，一个线程池该具备什么样的功能?
1.1、线程池基本功能
多线程会创建大量的线程耗尽资源，那线程池应该对线程数量有所限制，可以保证不会耗尽系统资 源;
每次创建新的线程会增加创建时的开销，那线程池应该减少线程的创建，尽量复用已创建好的线 程;
1.2、线程池面临问题
我们知道线程在执行完自己的任务后就会被回收，那我们如何复用线程?
我们指定了线程的最大数量，当任务数超出线程数时，我们该如何处理?
1.3、创新源于生活
先假设一个场景:假设我们是一个物流公司的管理人员，要配送的货物就是我们的任务，货车就是 我们配送工具，我们当然不能有多少货物就准备多少货车。那当顾客源源不断的将货物交给我们配 送，我们该如何管理才能让公司经营的最好呢?
最开始货物来的时候，我们还没有货车，每批要运输的货物我们都要购买一辆车来运输;
当货车运输完成后，暂时还没有下一批货物到达，那货车就在仓库停着，等有货物来了立马就可以 运输;
当我们有了一定数量的车后，我们认为已经够用了，那后面就不再买车了，这时要是由新的货物来 了，我们就会让货物先放仓库，等有车回来在配送;
当 618 大促来袭，要配送的货物太多，车都在路上，仓库也都放满了，那怎么办呢?我们就选择临 时租一些车来帮忙配送，提高配送的效率;
但是货物还是太多，我们增加了临时的货车，依旧配送不过来，那这时我们就没办法了，只能让发 货的客户排队等候或者干脆不接受了;
大促圆满完成后，累计的货物已经配送完成了，为了降低成本，我们就将临时租的车都还了;
1.4、技术源于创新
基于上述场景，物流公司就是我们的线程池、货物就是我们的线程任务、货车就是我们的线程。我 们如何设计公司的管理货车的流程，就应该如何设计线程池管理线程的流程。
当任务进来我们还没有线程时，我们就该创建线程执行任务;
当线程任务执行完成后，线程不释放，等着下一个任务进来后接着执行;
当创建的线程数量达到一定量后，新来的任务我们存起来等待空闲线程执行，这就要求线程池有个 存任务的容器;
当容器存满后，我们需要增加一些临时的线程来提高处理效率;
当增加临时线程后依旧处理不了的任务，那就应该将此任务拒绝;
当所有任务执行完成后，就应该将临时的线程释放掉，以免增加不必要的开销;
2、线程池具体分析
上文中，我们讲了该如何设计一个线程池，下面我们看看大神是如何设计的；
2.1、 JAVA 中的线程池是如何设计的
2.1.1、 线程池设计
看下线程池中的属性，了解线程池的设计。
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
//线程池的打包控制状态,用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); //值为29,用来表示偏移量 private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//线程池的最大容量 private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
//线程池的运行状态，总共有5个状态，用高3位来表示 private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; //接受新任务并处理阻塞队列中的任务
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; //不接受新任务但会处理阻塞队列中的任务
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; //不会接受新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，并且中断正在运行的任务
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; //所有任务都已终止， 工作线程数量为0，即将要执行terminated()钩子方法
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; // terminated()方法已经执行结束
//任务缓存队列，用来存放等待执行的任务 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//全局锁，对线程池状态等属性修改时需要使用这个锁 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//线程池中工作线程的集合，访问和修改需要持有全局锁 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// 终止条件 private final Condition termination = mainLock.newCondition();
//线程池中曾经出现过的最大线程数 private int largestPoolSize; //已完成任务的数量 private long completedTaskCount; //线程工厂 private volatile ThreadFactory threadFactory; //任务拒绝策略 private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//线程存活时间 private volatile long keepAliveTime;
//是否允许核心线程超时 private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
//核心池大小，若allowCoreThreadTimeOut被设置，核心线程全部空闲超时被回收的情况下会为0 private volatile int corePoolSize;
//最大池大小，不得超过CAPACITY private volatile int maximumPoolSize; //默认的任务拒绝策略 private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
//运行权限相关 private static final RuntimePermission shutdownPerm = new RuntimePermission("modifyThread");
... }
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小结一下：以上线程池的设计可以看出，线程池的功能还是很完善的。
提供了线程创建、数量及存活时间等的管理;
提供了线程池状态流转的管理;
提供了任务缓存的各种容器;
提供了多余任务的处理机制;
提供了简单的统计功能;
2.1.2、线程池构造函数
//构造函数 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, //核心线程数 int maximumPoolSize, //最大允许线程数 long keepAliveTime, //线程存活时间 TimeUnit unit, //存活时间单位 BlockingQueue<Runnable> workQueue, //任务缓存队列 ThreadFactory threadFactory, //线程工厂 RejectedExecutionHandler handler) { //拒绝策略 if (corePoolSize < 0 || maximumPoolSize <= 0 || maximumPoolSize < corePoolSize || keepAliveTime < 0) throw new IllegalArgumentException(); if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null) throw new NullPointerException(); this.corePoolSize = corePoolSize; this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; this.workQueue = workQueue; this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime); this.threadFactory = threadFactory; this.handler = handler;}
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小结一下：
构造函数告诉了我们可以怎样去适用线程池，线程池的哪些特性是我们可以控制的;
2.1.3、线程池执行
2.1.3.1、提交任务方法
• public void execute(Runnable command);
• Future<?> submit(Runnable task);
• Future submit(Runnable task, T result);
• Future submit(Callable task);
public Future<?> submit(Runnable task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null); execute(ftask); return ftask;}
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可以看到 submit 方法的底层调用的也是 execute 方法，所以我们这里只分析 execute 方法；
public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); //第一步：创建核心线程 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { //worker数量小于corePoolSize if (addWorker(command, true)) //创建worker return; c = ctl.get(); } //第二步：加入缓存队列 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { //线程池处于RUNNING状态，将任务加入workQueue任务缓存队列 int recheck = ctl.get(); if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //双重检查，若线程池状态关闭了，移除任务 reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) //线程池状态正常，但是没有线程了，创建worker addWorker(null, false); } //第三步：创建临时线程 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }
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小结一下：execute()方法主要功能：
核心线程数量不足就创建核心线程；
核心线程满了就加入缓存队列；
缓存队列满了就增加非核心线程；
非核心线程也满了就拒绝任务；
2.1.3.2、创建线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); //等价于：rs>=SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty()) //线程池已关闭，并且无需执行缓存队列中的任务，则不创建 if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //CAS增加线程数 break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } } //上面的流程走完，就可以真实开始创建线程了 boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { w = new Worker(firstTask); //这里创建了线程 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 rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); workers.add(w); //这里将线程加入到线程池中 int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { t.start(); //添加成功，启动线程 workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); //添加线程失败操作 } return workerStarted; }
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小结：addWorker()方法主要功能；
增加线程数；
创建线程 Worker 实例加入线程池；
加入完成开启线程；
启动失败则回滚增加流程；
2.1.3.3、工作线程的实现
private final class Worker //Worker类是ThreadPoolExecutor的内部类 extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { final Thread thread; //持有实际线程 Runnable firstTask; //worker所对应的第一个任务，可能为空 volatile long completedTasks; //记录执行任务数 Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } public void run() { runWorker(this); //当前线程调用ThreadPoolExecutor中的runWorker方法，在这里实现的线程复用 } ...继承AQS，实现了不可重入锁... }
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小结：工作线程 Worker 类主要功能；
此类持有一个工作线程，不断处理拿到的新任务，持有的线程即为可复用的线程；
此类可看作一个适配类，在 run()方法中真实调用 runWorker()方法不断获取新任务，完成线程复用；
2.1.3.4、线程的复用
final void runWorker(Worker w) { //ThreadPoolExecutor中的runWorker方法，在这里实现的线程复用 Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; //标识线程是否异常终止 try { while (task != null || (task = getTask()) != null) { //这里会不断从任务队列获取任务并执行 w.lock(); //线程是否需要中断 if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { beforeExecute(wt, task); //执行任务前的Hook方法，可自定义 Throwable thrown = null; try { task.run(); //执行实际的任务 } catch (RuntimeException x) { thrown = x; throw x; } catch (Error x) { thrown = x; throw x; } catch (Throwable x) { thrown = x; throw new Error(x); } finally { afterExecute(task, thrown); //执行任务后的Hook方法，可自定义 } } finally { task = null; //执行完成后，将当前线程中的任务制空，准备执行下一个任务 w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); //线程执行完成后的清理工作 } }
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小结：runWorker()方法主要功能；
循环从缓存队列中获取新的任务，直到没有任务为止；
使用 worker 持有的线程真实执行任务；
任务都执行完成后的清理工作；
2.1.3.5、队列中获取待执行任务
private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; //标识当前线程是否超时未能获取到task对象 for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } int wc = workerCountOf(c); // Are workers subject to culling? boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) //若线程存活时间超时，则CAS减去线程数量 return null; continue; } try { Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : //允许超时回收则阻塞等待 workQueue.take(); //不允许则直接获取，没有就返回null if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } }
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小结：getTask()方法主要功能；
实际在缓存队列中获取待执行的任务；
在这里管理线程是否要阻塞等待，控制线程的数量；
2.1.3.6、清理工作
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) { if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted decrementWorkerCount(); final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { completedTaskCount += w.completedTasks; workers.remove(w); //移除执行完成的线程 } finally { mainLock.unlock(); } tryTerminate(); //每次回收完一个线程后都尝试终止线程池 int c = ctl.get(); if (runStateLessThan(c, STOP)) { //到这里说明线程池没有终止 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); //异常终止线程的话，需要在常见一个线程 } }
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小结：processWorkerExit()方法主要功能；
真实完成线程池线程的回收；
调用尝试终止线程池；
保证线程池正常运行；
2.1.3.7、尝试终止线程池
final void tryTerminate() { for (;;) { int c = ctl.get(); //若线程池正在执行、线程池已终止、线程池还需要执行缓存队列中的任务时，返回 if (isRunning(c) || runStateAtLeast(c, TIDYING) || (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty())) return; //执行到这里，线程池为SHUTDOWN且无待执行任务 或 STOP 状态 if (workerCountOf(c) != 0) { interruptIdleWorkers(ONLY_ONE); //只中断一个线程 return; } //执行到这里，线程池已经没有可用线程了，可以终止了 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) { //CAS设置线程池终止 try { terminated(); //执行钩子方法 } finally { ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0)); //这里将线程池设为终态 termination.signalAll(); } return; } } finally { mainLock.unlock(); } // else retry on failed CAS } }
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小结：tryTerminate()方法主要功能；
实际尝试终止线程池；
终止成功则调用钩子方法，并且将线程池置为终态。
2.2、JAVA 线程池总结
以上通过对 JAVA 线程池的具体分析我们可以看出，虽然流程看似复杂，但其实有很多内容都是状态重复校验、线程安全的保证等内容，其主要的功能与我们前面所提出的设计功能一致，只是额外增加了一些扩展，下面我们简单整理下线程池的功能；
2.2.1、主要功能
线程数量及存活时间的管理；
待处理任务的存储功能；
线程复用机制功能；
任务超量的拒绝功能；
2.2.2、扩展功能
简单的执行结果统计功能；
提供线程执行异常处理机制；
执行前后处理流程自定义；
提供线程创建方式的自定义；
2.2.3、流程总结
以上通过对 JAVA 线程池任务提交流程的分析我们可以看出，线程池执行的简单流程如下图所示；
2.3、JAVA 线程池使用
线程池基本使用验证上述流程：
public static void main(String[] args) throws Exception { //创建线程池 ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor( 5, 10, 100, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue(5)); //加入4个任务，小于核心线程，应该只有4个核心线程，队列为0 for (int i = 0; i < 4; i++) { threadPoolExecutor.submit(new MyRunnable()); } System.out.println("worker count = " + threadPoolExecutor.getPoolSize()); //worker count = 4 System.out.println("queue size = " + threadPoolExecutor.getQueue().size()); //queue size = 0 //再加4个任务，超过核心线程，但是没有超过核心线程 + 缓存队列容量，应该5个核心线程，队列为3 for (int i = 0; i < 4; i++) { threadPoolExecutor.submit(new MyRunnable()); } System.out.println("worker count = " + threadPoolExecutor.getPoolSize()); //worker count = 5 System.out.println("queue size = " + threadPoolExecutor.getQueue().size()); //queue size = 3 //再加4个任务，队列满了，应该5个热核心线程，队列5个，非核心线程2个 for (int i = 0; i < 4; i++) { threadPoolExecutor.submit(new MyRunnable()); } System.out.println("worker count = " + threadPoolExecutor.getPoolSize()); //worker count = 7 System.out.println("queue size = " + threadPoolExecutor.getQueue().size()); //queue size = 5 //再加4个任务，核心线程满了，应该5个热核心线程，队列5个，非核心线程5个，最后一个拒绝 for (int i = 0; i < 4; i++) { try { threadPoolExecutor.submit(new MyRunnable()); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); //java.util.concurrent.RejectedExecutionException } } System.out.println("worker count = " + threadPoolExecutor.getPoolSize()); //worker count = 10 System.out.println("queue size = " + threadPoolExecutor.getQueue().size()); //queue size = 5 System.out.println(threadPoolExecutor.getTaskCount()); //共执行15个任务 //执行完成，休眠15秒，非核心线程释放，应该5个核心线程，队列为0 Thread.sleep(1500); System.out.println("worker count = " + threadPoolExecutor.getPoolSize()); //worker count = 5 System.out.println("queue size = " + threadPoolExecutor.getQueue().size()); //queue size = 0 //关闭线程池 threadPoolExecutor.shutdown(); }
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作者：京东零售 秦浩然
来源：京东云开发者社区 转载请注明来源
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