java线程学习（二）：线程池

心已赠人 2022-05-20 23:30 325阅读 0赞

本章继续深入学习线程-线程池

##### 线程池的基本概念 #####

JDK5之前，都是程序员自己手动创建线程池，JDK5之后，内置线程池技术。

什么是线程池呢？

可以简单理解成容纳多个线程的容器，其中的线程是可以反复使用的，省去了频繁创建对象的操作。

为什么使用线程池呢？

在java中，如果每个请求到达就创建一个新线程，开销是相当大的。在实际使用中，创建和销毁线程花费的时间和消耗的系统资源都相当大，甚至可能要比在处理实际的用户请求的时间和资源要多的多。除了创建和销毁线程的开销之外，活动的线程也需要消耗系统资源。如果在一个jvm里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。

线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程，线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟。这样，就可以立即为请求服务，使用应用程序响应更快。另外，通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。

##### 线程池的使用 #####

**一、线程池的创建**

摘记API

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)&nbsp;</td> 
   <td>创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)</td> 
   <td>创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程，在需要时使用提供的 ThreadFactory 创建新线程。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)&nbsp;</td> 
   <td>创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**二、线程安全**

如果有多个线程在同时运行，而且这些线程可能会同时执行这段代码，程序每次运行的结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量值也是跟预期一样的，就是线程安全的。

只有多条线程在使用共享数据的时候会出现线程安全问题。

为什么会出现线程安全问题：

做一个经典模拟，电影院三个窗口卖100张电影票

public class TicketsDemo {
    
      public static void main(String[] args) {
        Runnable tick = new Tickets();
        Thread t1 = new Thread(tick,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(tick,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(tick,"窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
      }
    
      public static class Tickets implements Runnable {
        // 总共有100张票
        private Integer tickets = 100;
    
        @Override
        public void run() {
          while (true) {
            // 电影票售空之前 进入循环
            if (tickets > 0) {
              //------------------------------------流程 1
              try {
                // 模拟服务器卡顿，增加CPU切换执行概率.
                Thread.sleep(100);
              } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
              }
              //------------------------------------流程 2
              // 输出那个窗口买到第几张票
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 购买到 " + tickets--);
            }
          }
        }
      }
    }

console->

![70][]

发现不仅买到了第0张，还买到了第-1张，这在程序当中肯定是不允许出现的。那么我们来分析一下，出现0和负数的原因，

![70 1][]

当CPU执行线程一到流程①位置时候，已经进行了电影票判断，然后休眠的时候，线程二拿到了CUP执行权，同样线程二执行到流程①位置的时候，判断过电影票数，到休眠状态到达，这个时候CPU执行权被线程三抢到，等CPU执行线程三后，重新回来接着执行线程一的时候，CPU会接着上次的线程一休眠后流程②的位置开始往下执行，不会再去判断票数是否售空，此时票数再减减，接着回到线程二的休眠结束后流程②的位置往下执行，这样一来票数继续减减，那么出现买到票数0和负数的情况也就出现了。

如何解决线程安全问题：

1、使用关键字synchronized：

public class TicketsDemo {
    
      public static void main(String[] args) {
        Runnable tick = new Tickets();
        Thread t1 = new Thread(tick,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(tick,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(tick,"窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
      }
    
      public static class Tickets implements Runnable {
        // 总共有100张票
        private Integer tickets = 100;
        // 创建Obj
        private Object obj = new Object();
        @Override
        public void run() {
          while (true) {
            // 电影票售空之前 进入循环
            synchronized (obj) {
              if (tickets > 0) {
                //------------------------------------流程 1
                try {
                  // 模拟服务器卡顿，增加CPU切换执行概率.
                  Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
                }
                //------------------------------------流程 2
                // 输出那个窗口买到第几张票
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 购买到 " + tickets--);
              }
            }
          }
        }
      }
    }

console->

![70 2][]

多次测试 并没有出现0或者负数的情况。那么成功解决线程安全问题，但是每一次都得使用这种语法，无疑会写很多代码，有没有办法简化这一过程呢，答案当然是有的，我们将需要同步的提出来，在方法前加上 synchronized 关键字变成同步方法。

public class TicketsDemo {
    
      public static void main(String[] args) {
        Runnable tick = new Tickets();
        Thread t1 = new Thread(tick, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(tick, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(tick, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
      }
    
      public static class Tickets implements Runnable {
    
        // 总共有100张票
        private Integer tickets = 100;
      
        @Override
        public void run() {
          while (true) {
            // 电影票售空之前 进入循环
            pay();
          }
        }
        private synchronized void pay() {
          if (tickets > 0) {
            try {
              // 模拟服务器卡顿，增加CPU切换执行概率.
              Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
            }
            // 输出那个窗口买到第几张票
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 购买到 " + tickets--);
          }
        }
      }
    }

console输出一样没有0或负数，成功解决安全问题。

仔细观察输出会发现，速度明显比不使用synchronized要慢的多得多，所以解决线程安全的同时，舍去的是效率。

值得注意的是synchronized不具有继承性，如果父类有一个带有synchronized的方法，子类继承并重写了这个方法，但是同步不能继承，所以你还需要在子类方法中添加synchronized关键字。

synchronized的缺陷：线程进入同步方法要获取锁，但是执行完成之后在哪里释放的锁我们并不知道。上述代码持有锁进入同步代码，如果sleep出现异常，不出同步方法，那么锁就永远不会被释放。那么JDK1.5之后为我们提供了LOCK接口，下面我们一起来看一下这个接口。

2、使用Lock接口：

摘自API

java.util.concurrent.locks 接口 Lock

Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。此实现允许更灵活的结构，可以具有差别很大的属性，可以支持多个相关的 Condition 对象。下面是Lock接口为我们提供的方法。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;void lock()</td> 
   <td>获取锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;void lockInterruptibly()</td> 
   <td>如果当前线程未被中断，则获取锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;Condition newCondition()</td> 
   <td>返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;boolean tryLock()&nbsp;</td> 
   <td>仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)</td> 
   <td>如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;void unlock()</td> 
   <td>释放锁。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

有了lock() 方法和 unlock()方法，那么在哪里获得的锁，在哪里释放的锁我们可以很清晰的看出来，我们还能将unlock() 方法写在finally() 中，出现异常也能顺利释放锁。比synchronize灵活，用法更加广泛。

使用同样的售票代码，这次我们使用Lock接口进行改造。

public class TicketsDemo {
    
      public static void main(String[] args) {
        Runnable tick = new Tickets();
        Thread t1 = new Thread(tick, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(tick, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(tick, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
      }
    
      public static class Tickets implements Runnable {
    
        // 总共有100张票
        private Integer tickets = 100;
        //  创建Lock实现类对象
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        @Override
        public void run() {
          while (true) {
            // 获得锁
            lock.lock();
            if (tickets > 0) {
              try {
                // 模拟服务器卡顿，增加CPU切换执行概率.
                Thread.sleep(100);
                // 输出那个窗口买到第几张票
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 购买到 " + tickets--);
              } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
              }finally {
                // 释放锁
                lock.unlock();
              }
    
            }
          }
        }
      }
    }

查看console，重复多次也没有出现0或者负数，那么这个方法也是可行的，注意的是使用synchronized是自动释放锁，使用lock的时候，我们需要手动调用unlock()方法手动释放锁，为了保证锁一定会被释放，我们将unlock() 放入 finally，互斥代码放入try 。

JDK为我们提供了三个Lock接口的实现 。

**ReentrantLock,    ReentrantReadWriteLock.ReadLock,    ReentrantReadWriteLock.WriteLock**

根据功能分类可以分成：

*  排他锁：在同一时刻只允许一个线程进行访问，其他线程等待；
 *  读写锁：在同一时刻允许多个读线程访问，但是当写线程访问，所有的写线程和读线程均被阻塞。读写锁维护了一个读锁加一个写锁，通过读写锁分离的模式来保证线程安全，性能高于一般的排他锁。

上面使用到的是Lock的实现类ReentrantLock，下面着重讲解一下读写锁。

读写锁的特性：

1.  公平性选择：支持公平和非公平（默认）两种获取锁的方式，非公平锁的吞吐量优于公平锁。
2.  可重入：允许读锁可写锁可重入。写锁可以获得读锁，读锁不能获得写锁。 
3.  锁降级：允许写锁降低为读锁。
4.  中断锁的获取：在读锁和写锁的获取过程中支持中断 。

* @since 1.5
     * @author Doug Lea
     */
    public class ReentrantReadWriteLock
            implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = -6992448646407690164L;
        /** Inner class providing readlock */
        private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
        /** Inner class providing writelock */
        private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
        /** Performs all synchronization mechanics */
        final Sync sync;

从源码中可以看到，ReentrantReadWriteLock类 实现了ReadWriteLock接口。并且定义了三个变量，一个读锁对象，一个写锁对象，一个实现同步。

而ReadWriteLock接口中只定义了两个抽象方法，一个读锁，一个写锁。

* @since 1.5
     * @author Doug Lea
     */
    public interface ReadWriteLock {
        /**
         * Returns the lock used for reading.
         *
         * @return the lock used for reading
         */
        Lock readLock();
    
        /**
         * Returns the lock used for writing.
         *
         * @return the lock used for writing
         */
        Lock writeLock();
    }

**三、死锁**

[70]: /images/20220521/c8fcda8ba64948c581d6f28db4b5373a.png
[70 1]: /images/20220521/a95ff478c4ca4447bdc15f1f09eced92.png
[70 2]: /images/20220521/8d8044fb626845d8a6e00e4bfabfee9c.png