線程池

java線程池是 JDK1.5提供 juc（java.util.concurrent）包中，底層實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是 Callable 和 Future 接口

池化模式：

• 將大量我們需要的對象提前創(chuàng)建好，放在一個(gè)池（概念），對象提前創(chuàng)建完成，也不需要銷毀對象，所以說使用效率比較好。
  • 優(yōu)點(diǎn)：使用效率較好，避免對象的 重復(fù)創(chuàng)建 和 銷毀。
  • 缺點(diǎn)：內(nèi)存占有較高，池的數(shù)量難以把控。

線程池里的線程數(shù)量設(shè)定為多少比較合適?

• CPU 密集型（加密、計(jì)算hash等)︰最佳線程數(shù)為CPU核心數(shù)的 1-2 倍左右。
• 耗時(shí) IO 型（讀寫數(shù)據(jù)庫、文件、網(wǎng)絡(luò)讀寫等）︰最佳線程數(shù)一般會(huì)大于 CPU 核心數(shù)很多。
• 參考 Brain Goetz 推薦的計(jì)算方法︰線程數(shù) = CPU核心數(shù) * (1+平均等待時(shí)間/平均工作時(shí)間)

添加線程規(guī)則：

1. 最開始線程總數(shù)小于 corePoolSize 時(shí)，即使有線程處于空閑狀態(tài)新任務(wù)到來時(shí)，也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新線程。
2. 直到線程數(shù)等于 corePoolSize，再來任務(wù)時(shí)，會(huì)把任務(wù)放入隊(duì)列去等待。
3. 直到隊(duì)列也滿了，如果此時(shí)線程數(shù)小于 maximumPoolSize，則會(huì)再創(chuàng)建新線程來執(zhí)行任務(wù)。
4. 如果隊(duì)列已滿，并且線程數(shù)已經(jīng)擴(kuò)大到等于 maximumPoolSize時(shí)，再嘗試添加任務(wù)時(shí)，會(huì)被拒絕。
   

• 特點(diǎn)：
  • 若 corePoolSize == maximumPoolSize，則相當(dāng)于 newFixedThreadPool()；
  • 線程池希望保持較少的線程數(shù)，并且只有在負(fù)載變得很大時(shí)才增加它。
  • 只有在隊(duì)列填滿時(shí)才創(chuàng)建多于corePoolSize的線程，如果使用的是無界隊(duì)列，那么線程數(shù)就不會(huì)超過 corePoolSize。

實(shí)現(xiàn)原理：

• 線程池組成部分
  • 線程池管理器
  • 工作線程
  • 任務(wù)隊(duì)列
  • 任務(wù)接口（Task）

線程池實(shí)現(xiàn)任務(wù)復(fù)用的原理

• 相同線程執(zhí)行不同任務(wù)
  • 不需要重復(fù)的啟動(dòng)線程，循環(huán)的從隊(duì)列中取出新任務(wù)并執(zhí)行其 run() 方法。

線程池狀態(tài)：

• RUNNING：接受新任務(wù) 并 處理排隊(duì)任務(wù)。
• SHUTDOWN：不接受新任務(wù)，但處理排隊(duì)任務(wù)。
• STOP：不接受新任務(wù)，也不處理排隊(duì)任務(wù)，并中斷正在進(jìn)行的任務(wù)。
• TIDYING：所有任務(wù)都已終止，workerCount 為零時(shí)，線程會(huì)轉(zhuǎn)換到 TIDYING 狀態(tài)，并將運(yùn)行 terminate() 鉤子方法。
  TERMINATED：terminate()鉤子方法 運(yùn)行完成。

Executors 創(chuàng)線程池工具類

• 根據(jù)情況，我們創(chuàng)建很多種不同場景的線程池 Executors.new…();
• 創(chuàng)建線程池返回 ExecutorService 類對象。

手動(dòng)創(chuàng)建（更推薦）：

new ThreadPoolExecutor(7個(gè)參數(shù))

• 最原始的線程池，所有其他的線程池底層都是用的此線程池實(shí)現(xiàn)的。

• 前== 五個(gè)參數(shù) ==為必須參數(shù)，面試題經(jīng)常考問！！！

• 1、 corePoolSize：核心線程數(shù)，線程池中始終存活的線程數(shù)。

• 2、 maximumPoolSize：最大線程數(shù)

  • 線程池中允許的最大線程數(shù)，當(dāng)線程池的任務(wù)隊(duì)列滿了之后可以創(chuàng)建的最大線程數(shù)。

• 3、 keepAliveTime：最大線程數(shù)可以存活的時(shí)間

  • 如果線程池當(dāng)前的線程數(shù)多于 corePoolSize，那么如果多余的線程空閑時(shí)間超過 keepAliveTime，它們就會(huì)被終止。

• 4、unit：時(shí)間單位是和參數(shù) 3 存活時(shí)間配合使用的，合在一起用于設(shè)定線程的存活時(shí)間 ，參數(shù) keepAliveTime 的時(shí)間單位有以下 7 種可選：

  • TimeUnit.DAYS：天； TimeUnit.HOURS：小時(shí)； TimeUnit.MINUTES：分； TimeUnit.SECONDS：秒
  • TimeUnit.MILLISECONDS：毫秒； TimeUnit.MICROSECONDS：微妙； TimeUnit.NANOSECONDS：納秒

• 5、 workQueue：一個(gè)阻塞隊(duì)列，用來存儲(chǔ)線程池等待執(zhí)行的任務(wù)，均為線程安全，它包含以下 7 種類型：

  • ArrayBlockingQueue：一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。
  • LinkedBlockingQueue：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊(duì)列。
  • SynchronousQueue：直接交接，一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列，即直接提交給線程不保持它們。
  • PriorityBlockingQueue：一個(gè)支持優(yōu)先級排序的無界阻塞隊(duì)列。
  • DelayQueue：延遲隊(duì)列：一個(gè)使用優(yōu)先級隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的無界阻塞隊(duì)列，只有在延遲期滿時(shí)才能從中提取元素。
  • LinkedTransferQueue ： 一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊(duì)列，與 SynchronousQueue 類似，還含有非阻塞方法。
  • LinkedBlockingDeque：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。

• 6、threadFactory：線程工廠，主要用來創(chuàng)建線程。

  • 默認(rèn)為正常優(yōu)先級、非守護(hù)線程（Executors.defaultThreadFactory()）。
  • 創(chuàng)建出來的線程都在同一個(gè)線程組。
  • 如果自己指定 ThreadFactory，那么就可以改變線程名、線程組、優(yōu)先級、是否是守護(hù)線程等。

• 7、handler：拒絕策略，拒絕處理任務(wù)時(shí)的策略，系統(tǒng)提供了 4 種可選

  • AbortPolicy：默認(rèn)策略，拒絕并直接拋出異常。
  • DiscardPolicy：默默的丟棄任務(wù)，不會(huì)通知。
  • DiscardOldestPolicy：丟棄隊(duì)列中存在時(shí)間最久的任務(wù)。
  • CallerRunsPolicy：讓提交任務(wù)的線程去執(zhí)行。
    • 優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)放棄執(zhí)行任務(wù)，并且能夠使提交任務(wù)的速度降低下來（負(fù)反饋）

• 很多公司都 【強(qiáng)制使用】 這個(gè)最原始的方式創(chuàng)建線程池，因?yàn)檫@是可控的。

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(500, 2000, 1, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>());

自動(dòng)創(chuàng)建：

• Executors.newFixedThreadPool(int n)：創(chuàng)建一個(gè) 可重用固定大小 的線程池，可控制并發(fā)的線程數(shù)，超出的線程會(huì)在隊(duì)列中等待。
  • 適用場景：并發(fā)量不會(huì)發(fā)生變化（并發(fā)量的變化非常小）

new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

• Executors.newCachedThreadPool([int n])：創(chuàng)建一個(gè)== 可緩存 ==的線程池。
  • 若線程數(shù)超過處理所需，緩存一段時(shí)間后會(huì)回收，若線程數(shù)不夠，則新建線程。
  • 適用場景：并發(fā)量變化比較明顯，建議使用此方法

new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());

• ScheduledExecutorService Executors.newScheduledThreadPool()： 創(chuàng)建 延遲 后的線程池，可以設(shè)置間隔。
  • 返回 ScheduledExecutorService類 對象：
    • schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)：指定延遲時(shí)間后創(chuàng)建線程。
    • scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)：
      • 在給定的初始延遲后首先啟用，然后根據(jù)間隔時(shí)間 period 執(zhí)行。

(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new DelayedWorkQueue());

• Executors.newSingleThreadExecutor()： 單線程的線程池，只會(huì)用唯一的工作線程來執(zhí)行任務(wù)。

new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));

• Executors.newWorkStealingPool()：創(chuàng)建一個(gè)搶占式執(zhí)行的線程池（任務(wù)執(zhí)行順序不確定）
  • 注意此方法只有在 JDK 1.8+ 版本中才能使用。

ExecutorService 執(zhí)行線程池

運(yùn)行：

• execute(Runnable task)：運(yùn)行線程。
• submit()：運(yùn)行線程（更加強(qiáng)大），常用于創(chuàng)建Runnable匿名內(nèi)部類
  

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 0; i < 10; i++) {final int idx = i;executor.submit(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "————》" + idx));
}

關(guān)閉：

• shutdown()：拒絕新任務(wù)，等 正在執(zhí)行 以及 阻塞隊(duì)列 中的任務(wù)執(zhí)行完畢后就停止線程池。
• isShutdown()：判斷線程池是否已經(jīng)開始了關(guān)閉工作，也就是是否執(zhí)行了 shutdown 或者 shutdownNow 方法。。
• IsTerminated()：判斷線程池是否已經(jīng)完全終止。（正在執(zhí)行、阻塞隊(duì)列都已清空）
• awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)：檢測在指定時(shí)間內(nèi)（此時(shí)當(dāng)前線程阻塞），線程池是否會(huì)完全終止。
• List< Runnable> shutdownNow()：立刻完全停止線程池，中斷正在執(zhí)行的線程，并將阻塞隊(duì)列里的線程返回。
  • 線程 run() 方法在運(yùn)行期間被中斷會(huì)拋出 InterruptedException，可以使用 catch 捕獲。

其他：

• BlockingQueuegetQueue()：獲取阻塞隊(duì)列

execut() 執(zhí)行流程：

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();}// 線程池正在運(yùn)行，且隊(duì)列沒滿if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {int recheck = ctl.get();// 線程停止運(yùn)行了，則刪除任務(wù)，并拒絕if (! isRunning(recheck) && remove(command))reject(command);// 核心工作線程沒有了，創(chuàng)建一個(gè)空的核心工作線程else if (workerCountOf(recheck) == 0)addWorker(null, false);}// 隊(duì)列滿了，嘗試添加額外線程，此處 false 代表添加的是額外線程（<= 最大線程數(shù)）else if (!addWorker(command, false))reject(command);
}

鉤子方法

• 在每個(gè)任務(wù)執(zhí)行前后進(jìn)行操作

  • 例如：日志、統(tǒng)計(jì)、暫停

• 繼承自線程池 ThreadPoolExecutor ，并重寫構(gòu)造器

• 可重寫方法：

  • beforeExecute()：線程執(zhí)行前的操作。
  • afterExecute()：線程執(zhí)行后的操作。

示例：實(shí)現(xiàn)線程池的暫停、恢復(fù)操作，（省略了構(gòu)造器）

public class PauseableThreadPool extends ThreadPoolExecutor {// 線程池是否處于暫停狀態(tài)private boolean isPaused;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private Condition unPaused = lock.newCondition();public void pause() {lock.lock();try {isPaused = true;} finally {lock.unlock();}}@Overrideprotected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {super.beforeExecute(t, r);lock.lock();try {while (isPaused) {unPaused.await();}} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {lock.unlock();}}public void resume() {lock.lock();try {isPaused = false;unPaused.notifyAll();} finally {lock.unlock();}}
}

ThreadLocal

• 在 JDK1.2 的版本中已經(jīng)為線程對象提供了副本對象，特點(diǎn)是：每一個(gè)線程都 獨(dú)立擁有 ThreadLocal 對象。

• 作用1：在任何線程的方法中都可以輕松獲取到該對象。
  在 ThreadLocal 初始化時(shí)加入對象。

• 作用2：讓某個(gè)需要用到的對象在線程間隔離（每個(gè)線程都有自己的獨(dú)立的對象)
  在線程中 set 對象。

• ThreadLocal 不支持繼承性

  • 同一個(gè) ThreadLocal 變量在父線程中被設(shè)置值后，那么在子線程中是獲取不到的。

• InheritableThreadLocal 類是可以做到支持繼承性。

優(yōu)點(diǎn)：

• 達(dá)到線程安全。
• 不需要加鎖，提高執(zhí)行效率。
• 更高效地利用內(nèi)存、節(jié)省開銷。
  • 相比于場景一每個(gè)任務(wù)都新建一個(gè) SimpleDateFormat，顯然用 ThreadLocal 可以節(jié)省內(nèi)存和開銷
• 免去傳參的繁瑣
  • 不需要每次都傳同樣的參數(shù)
  • ThreadLocal使得代碼耦合度更低，更優(yōu)雅

創(chuàng)建：

• 一定要將 ThreadLocal 定義成 靜態(tài)變量 static
• ThreadLocal 需要一個(gè)泛型；

public static ThreadLocal<String> threadLocal1 = new Thread<>();
public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal2 = ThreadLocal.withInitial(() ->new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss")
); // 初始化并設(shè)置值

• get()：獲取 ThreadLocal 中當(dāng)前線程共享的變量的值。

  • 在 線程開啟（或調(diào)用 remove()）后第一次調(diào)用 get() 的時(shí)候，會(huì)調(diào)用 initialValue() 來得到值。

• remove()：移除 ThreadLocal中當(dāng)前線程共享的變量的值。

  • 最后 一定 要移除值！！！，否則很容易出現(xiàn) 內(nèi)存溢出。

• initialValue()：該方法會(huì)返回當(dāng)前線程對應(yīng)的 “初始值”，這是一個(gè)延遲加載的方法。默認(rèn)為 null。

  • ThreadLocal.withInitial()：初始化 ThreadLocal 并設(shè)置 initialValue()。

• set()：設(shè)置 ThreadLocal 中當(dāng)前線程共享的變量的值。

• set 和 setInitialValue 結(jié)果都是調(diào)用 map.set，只不過是起點(diǎn)和入口不一樣。

public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal2 = ThreadLocal.withInitial(() ->new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss")
);
@Test
void contextLoads() {ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);for (int i = 0; i < 1000; ++i) {final int finalI = i;executorService.submit(() ->System.out.println(threadLocal2.get().format(new Date(1000 * finalI))));}executorService.shutdownNow();
}

使用場景

一、每個(gè)線程需要一個(gè)獨(dú)享的對象

• 通常是工具類，典型需要使用的類有 SimpleDateFormat 和 Random
• 比喻∶教材只有一本，一起做筆記有線程安全問題。復(fù)印后就沒問題。
• 示例：
  • 線程池有1000個(gè)線程，每個(gè)線程都要使用 SimpleDateFormat 工具類，若直接使用，則會(huì)創(chuàng)建 1000 個(gè)工具類，開銷巨大。
  • 這時(shí)可以創(chuàng)建一個(gè) static 的 SimpleDateFormat 對象，讓線程池的每個(gè)核心線程都使用這個(gè)靜態(tài)對象，就防止了重復(fù)的創(chuàng)建。
    • 但是，由于 SimpleDateFormat 類是線程不安全的，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的計(jì)算結(jié)果。
    • 此時(shí)，可能會(huì)想到通過加鎖，確實(shí)能使結(jié)果正確，但這樣同一時(shí)間就只有一個(gè)線程運(yùn)行了，那何必高并發(fā)呢？
  • 這時(shí)，就可以使用 ThreadLocal 了，讓每個(gè)核心線程內(nèi)部都有自己獨(dú)有的 SimpleDateFormat 對象，如圖：
    

public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal2 = ThreadLocal.withInitial(() ->new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss")
);
@Test
void contextLoads() {ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);for (int i = 0; i < 1000; ++i) {final int finalI = i;executorService.submit(() ->System.out.println(threadLocal2.get().format(new Date(1000 * finalI))));}executorService.shutdownNow();
}

二、每個(gè)線程內(nèi)需要保存全局變量（例如在攔截器中獲取用戶信息）

• 可以讓不同方法直接使用，避免參數(shù)傳遞的麻煩

原理

• ThreadLocal 底層是將 值 存放在線程的 ThreadLocalMap 中的。
  • 通過 getMap(Thread.currentThread()) 獲取 ThreadLocalMap 對象。

注意

內(nèi)存泄漏：

• 內(nèi)存泄露為 程序在申請內(nèi)存后，無法釋放已申請的內(nèi)存空間，一次內(nèi)存泄露危害可以忽略，但內(nèi)存泄露堆積后果很嚴(yán)重，無論多少內(nèi)存,遲早會(huì)被占光，廣義并通俗的說，就是：不再會(huì)被使用的對象或者變量占用的內(nèi)存 不能被回收，就是內(nèi)存泄露。

• 由于 ThreadLocalMap 繼承了 WeakReference 類，屬于弱引用對象。

  • 弱引用，JVM進(jìn)行垃圾回收時(shí)，無論內(nèi)存是否充足，都會(huì)回收被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。在java中，用java.lang.ref.WeakReference 類來表示?？梢栽诰彺嬷惺褂萌跻谩?/li>

• ThreadLocalMap 的每個(gè) Entry 都是一個(gè)對 key 的弱引用，同時(shí)是一個(gè)對 value 的強(qiáng)引用。

• 正常情況下，當(dāng)線程終止，保存在 ThreadLocal 里的 value 會(huì)被垃圾回收，因?yàn)闆]有任何強(qiáng)引用了但是，如果線程不終止(比如線程需要保持很久），那么 key 對應(yīng)的 value 就不能被回收，因?yàn)橛幸韵碌?調(diào)用鏈:

  • Thread —> ThreadLocalMap —>Entry ( key為null) —> Value

• 因?yàn)?value 和 Thread 之間還存在這個(gè)強(qiáng)引用鏈路，所以導(dǎo)致 value 無法回收，就可能會(huì)出現(xiàn) OOM

  • ThreadLocalMap 也有相應(yīng)的處理方法（在 resize() 中）：掃描 key 為 null 的Entry，并把對應(yīng)的 value 設(shè)置為 null
    • 但前提是得調(diào)用 map.set() 或 remove() 。

• 如果一個(gè)ThreadLocal 不被使用，就可能導(dǎo)致value的內(nèi)存泄漏

如何避免內(nèi)存泄露（阿里規(guī)約)

• 調(diào)用 remove 方法，就會(huì)刪除對應(yīng)的 Entry 對象，可以避免內(nèi)存泄漏，所以使用完 ThreadLocal 之后，應(yīng)該調(diào)用 remove方法。

空指針異常：

• 在創(chuàng)建 ThreadLcal時(shí)泛型是 包裝類，如 Long，而若獲取 value 時(shí)，接收返回值的對象只是基本數(shù)據(jù)類型時(shí)，有可能會(huì)拆箱錯(cuò)誤。
  • 比如，在 ThreadLocal 沒有設(shè)置值時(shí)，默認(rèn)是 null，而將 null 賦給 long，就會(huì) 空指針異常。
    • 若使用的是包裝類 Long，則不會(huì)空指針異常。
• 因此，在接收 get() 返回值時(shí)，不建議使用 基本數(shù)據(jù)類型。