线程池

线程池理解

什么是线程池

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

线程池作用


线程池是为突然大量爆发的线程设计的，通过有限的几个固定线程为大量的操作服务，减少了创建和销毁线程所需的时间，从而提高效率。
如果一个线程的时间非常长，就没必要用线程池了(不是不能作长时间操作，而是不宜。)，况且我们还不能控制线程池中线程的开始、挂起、和中止。

线程池的分类

ThreadPoolExecutor
Java是天生就支持并发的语言，支持并发意味着多线程，线程的频繁创建在高并发及大数据量是非常消耗资源的，因为java提供了线程池。在jdk1.5以前的版本中，线程池的使用是及其简陋的，但是在JDK1.5后，有了很大的改善。JDK1.5之后加入了java.util.concurrent包，java.util.concurrent包的加入给予开发人员开发并发程序以及解决并发问题很大的帮助。这篇文章主要介绍下并发包下的Executor接口，Executor接口虽然作为一个非常旧的接口（JDK1.5 2004年发布），但是很多程序员对于其中的一些原理还是不熟悉，因此写这篇文章来介绍下Executor接口，同时巩固下自己的知识。如果文章中有出现错误，欢迎大家指出。
Executor框架的最顶层实现是ThreadPoolExecutor类，Executors工厂类中提供的newScheduledThreadPool、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool方法其实也只是ThreadPoolExecutor的构造函数参数不同而已。通过传入不同的参数，就可以构造出适用于不同应用场景下的线程池，那么它的底层原理是怎样实现的呢，这篇就来介绍下ThreadPoolExecutor线程池的运行过程。

corePoolSize： 核心池的大小。 当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中 maximumPoolSize： 线程池最大线程数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程； keepAliveTime： 表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。 unit： 参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：

线程池四种创建方式


Java通过Executors（jdk1.5并发包）提供四种线程池，分别为： newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
案例演示:
newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。 newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。 newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。示例代码如下：

  1. // 无限大小线程池 jvm自动回收
  2.         ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
  3.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  4.             final int temp = i;
  5.             newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
  7.                 @Override
  8.                 public void run() {
  9.                     try {
  10.                         Thread.sleep(100);
  11.                     } catch (Exception e) {
  12.                         // TODO: handle exception
  13.                     }
  14.                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",i:" + temp);
  16.                 }
  17.             });
  18.         }

总结: 线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

newFixedThreadPool


创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下：

  1. ExecutorService newFixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
  2.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  3.             final int temp = i;
  4.             newFixedThreadPool.execute(new Runnable() {
  6.                 @Override
  7.                 public void run() {
  8.                     System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ",i:" + temp);
  10.                 }
  11.             });
  12.         }

总结:因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()
**

newScheduledThreadPool


创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下：

  1. ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
  2.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  3.             final int temp = i;
  4.             newScheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
  5.                 public void run() {
  6.                     System.out.println("i:" + temp);
  7.                 }
  8.             }, 3, TimeUnit.SECONDS);
  9. }

表示延迟3秒执行。


newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下：

  1. ExecutorService newSingleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
  2.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  3.             final int index = i;
  4.             newSingleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
  6.                 @Override
  7.                 public void run() {
  8.                     System.out.println("index:" + index);
  9.                     try {
  10.                         Thread.sleep(200);
  11.                     } catch (Exception e) {
  12.                         // TODO: handle exception
  13.                     }
  14.                 }
  15.             });
  16.         }

注意: 结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。

线程池原理剖析


提交一个任务到线程池中，线程池的处理流程如下：
1、判断线程池里的核心线程是否都在执行任务，如果不是（核心线程空闲或者还有核心线程没有被创建）则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程都在执行任务，则进入下个流程。
2、线程池判断工作队列是否已满，如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
3、判断线程池里的线程是否都处于工作状态，如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

image.png

合理配置线程池


要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来进行分析：
任务的性质：CPU密集型任务，IO密集型任务和混合型任务。
任务的优先级：高，中和低。
任务的执行时间：长，中和短。
任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。
任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于需要等待IO操作，线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2Ncpu。混合型的任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率，如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。
优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先得到执行，需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者也可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。
依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用CPU。
一般总结哦，有其他更好的方式，希望各位留言，谢谢。

CPU密集型时，任务可以少配置线程数，大概和机器的cpu核数相当，这样可以使得每个线程都在执行任务
IO密集型时，大部分线程都阻塞，故需要多配置线程数，2cpu核数
操作系统之名称解释：
某些进程花费了绝大多数时间在计算上，而其他则在等待I/O上花费了大多是时间，
前者称为计算密集型（CPU密集型）computer-bound，后者称为I/O密集型，I/O-bound。

Java锁的深度化

悲观锁、乐观锁、排他锁

场景：

当多个请求同时操作数据库时，首先将订单状态改为已支付，在金额加上200，在同时并发场景查询条件下，会造成重复通知。
SQL:
Update

悲观锁与乐观锁


悲观锁:悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题，在每次查询时加上排他锁。
每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
Select * from xxx for update;
乐观锁:乐观锁会乐观的认为每次查询都不会造成更新丢失,利用版本字段控制


重入锁


锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。
重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。
在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

  1. public class Test implements Runnable {
  2.     public  synchronized void get() {
  3.         System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");
  4.         set();
  5.     }
  7.     public synchronized  void set() {
  8.         System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
  9.     }
  11.     @Override
  13.     public void run() {
  14.         get();
  15.     }
  17.     public static void main(String[] args) {
  18.         Test ss = new Test();
  19.         new Thread(ss).start();
  20.         new Thread(ss).start();
  21.         new Thread(ss).start();
  22.         new Thread(ss).start();
  23.     }
  24. }
  26. public class Test02 extends Thread {
  27.     ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  28.     public void get() {
  29.         lock.lock();
  30.         System.out.println(Thread.currentThread().getId());
  31.         set();
  32.         lock.unlock();
  33.     }
  34.     public void set() {
  35.         lock.lock();
  36.         System.out.println(Thread.currentThread().getId());
  37.         lock.unlock();
  38.     }
  39.     @Override
  40.     public void run() {
  41.         get();
  42.     }
  43.     public static void main(String[] args) {
  44.         Test ss = new Test();
  45.         new Thread(ss).start();
  46.         new Thread(ss).start();
  47.         new Thread(ss).start();
  48.     }
  50. }


读写锁


相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

  1. public class Cache {
  2.     static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
  3.     static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
  4.     static Lock r = rwl.readLock();
  5.     static Lock w = rwl.writeLock();
  7.     // 获取一个key对应的value
  8.     public static final Object get(String key) {
  9.         r.lock();
  10.         try {
  11.             System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
  12.             Thread.sleep(100);
  13.             Object object = map.get(key);
  14.             System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
  15.             System.out.println();
  16.             return object;
  17.         } catch (InterruptedException e) {
  19.         } finally {
  20.             r.unlock();
  21.         }
  22.         return key;
  23.     }
  25.     // 设置key对应的value，并返回旧有的value
  26.     public static final Object put(String key, Object value) {
  27.         w.lock();
  28.         try {
  30.             System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
  31.             Thread.sleep(100);
  32.             Object object = map.put(key, value);
  33.             System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
  34.             System.out.println();
  35.             return object;
  36.         } catch (InterruptedException e) {
  38.         } finally {
  39.             w.unlock();
  40.         }
  41.         return value;
  42.     }
  44.     // 清空所有的内容
  45.     public static final void clear() {
  46.         w.lock();
  47.         try {
  48.             map.clear();
  49.         } finally {
  50.             w.unlock();
  51.         }
  52.     }
  54.     public static void main(String[] args) {
  55.         new Thread(new Runnable() {
  57.             @Override
  58.             public void run() {
  59.                 for (int i = 0; i < 10; i++) {
  60.                     Cache.put(i + "", i + "");
  61.                 }
  63.             }
  64.         }).start();
  65.         new Thread(new Runnable() {
  67.             @Override
  68.             public void run() {
  69.                 for (int i = 0; i < 10; i++) {
  70.                     Cache.get(i + "");
  71.                 }
  73.             }
  74.         }).start();
  75.     }
  76. }

CAS无锁机制


（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
（2）无锁的好处：
第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
第二，它天生就是死锁免疫的。
就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。
（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

image.png

  1. /** 
  2.      * Atomically increments by one the current value. 
  3.      * 
  4.      * @return the updated value 
  5.      */  
  6.     public final int incrementAndGet() {  
  7.         for (;;) {  
  8.             //获取当前值  
  9.             int current = get();  
  10.             //设置期望值  
  11.             int next = current + 1;  
  12.             //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  
  13.             if (compareAndSet(current, next))  
  14.                 //成功后才会返回期望值，否则无线循环  
  15.                 return next;  
  16.         }  
  17.     }

自旋锁


自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。如下

  1.     private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();
  2.     public void lock() {
  3.         Thread current = Thread.currentThread();
  4.         while (!sign.compareAndSet(null, current)) {
  5.           }
  6.     }
  7.     public void unlock() {
  8.         Thread current = Thread.currentThread();
  9.         sign.compareAndSet(current, null);
  10.     }
  12. public class Test implements Runnable {
  13.     static int sum;
  14.     private SpinLock lock;
  16.     public Test(SpinLock lock) {
  17.         this.lock = lock;
  18.     }
  20.     /**
  21.      * @param args
  22.      * @throws InterruptedException
  23.      */
  24.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  25.         SpinLock lock = new SpinLock();
  26.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
  27.             Test test = new Test(lock);
  28.             Thread t = new Thread(test);
  29.             t.start();
  30.         }
  32.         Thread.currentThread().sleep(1000);
  33.         System.out.println(sum);
  34.     }
  36.     @Override
  37.     public void run() {
  38.         this.lock.lock();
  39.         this.lock.lock();
  40.         sum++;
  41.         this.lock.unlock();
  42.         this.lock.unlock();
  43.     }
  45. }

当一个线程 调用这个不可重入的自旋锁去加锁的时候没问题，当再次调用lock()的时候，因为自旋锁的持有引用已经不为空了，该线程对象会误认为是别人的线程持有了自旋锁
使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。
当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。
由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

分布式锁


如果想在不同的jvm中保证数据同步，使用分布式锁技术。
有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁