Java多线程总结

线程和进程

对于进程和线程的概念可以简单的理解成一个包含关系，例如：一个人个体可以称为社会的一个进程，人可以同时做很多事情,这个称之为线程

CPU一次只能执行一个指令，操作系统为了保证同一时刻多个程序同时执行， 把每次执行的指令过程分成若干时间片（timeslice），每一个程序都会在指定的时间片上运行一段时间后，然后保存运行的上下文资源，来保证下次执行。

由于进程对于资源的需求比较多，保存和恢复都会需要很多时间，CPU每次执行的单位都是线程。

所以单核的CPU的执行其实本质都是单线程.

例如我们同时运行A、B、C三个程序：

疑问：如果是多线程本质还是单线程执行为什么我们还要使用多线程？

因为在程序执行的过程的中，CPU的执行速度大于内存，也远远大于磁盘IO的运算，如果一个程序CPU执行完成后，要等待磁盘和内存的读取。在等待期间，CPU处于空闲的状态，这样就导致的资源的浪费。

多线程的引入是在CPU存在空闲的时间片的时候，能够有指令被执行，不必再等待其他的执行。

疑问： 如何控制线程的执行先后？

CPU的实行被划分成时间片来执行，所以线程能否被调度，本质是能否抢到时间片。

既然是抢时间片，就存在随机性，所以线程本身的调度时间我们无法完全控制。（可以采用让出时间片来控制，但也不是根本上解决调度顺序）

Java中的线程

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Thread使用

在Java中，使用Thread来创建线程，使用start的方法来启动线程（此处并不是真正的启动）。我们可以简单的使用：

public static void main(String[] args) {
     Thread th=new Thread(()->{
          System.out.println("a");
     });
     th.start();
     
     try {
          Thread.currentThread().join();
     } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
     }
}

```   
`Thread`中有`stop`,`interrupt`,`join`等方法。其中`stop`不推荐使用。`interrupt`表示中断线程执行,`join`等待当前线程执行完成。

#### Fork/Join  

`Fork/Join`框架是Java7提供的一个用于并行执行任务的框架，利用递归把总任务分割成若干个小任务,然后把每个任务的执行结果汇总到总任务 

![ForkJoin程序执行](/img/assets/41/02_marked.png)      

我们使用forkJoin框架计算1000的加和，具体使用代码：

``` Java
     private static final Integer MAX = 200;
	static class SumForkJoinTask extends RecursiveTask<Integer> {
		// 子任务开始计算的值
		private Integer startValue;
		
		// 子任务结束计算的值
		private Integer endValue;
		
		public SumForkJoinTask(Integer startValue , Integer endValue) {
			this.startValue = startValue;
			this.endValue = endValue;
		}
		@Override
		protected Integer compute() {
			if(endValue - startValue < MAX) {
				System.out.println(String.format("02.执行任务=>start:%s,end:%s",startValue,endValue));
				Integer totalValue = 0;
				for(int index = this.startValue ; index <= this.endValue  ; index++) {
					totalValue += index;
				}
				return totalValue;
			}
			else {
				SumForkJoinTask subTask1 = new SumForkJoinTask(startValue, (startValue + endValue) / 2);
				subTask1.fork();
				SumForkJoinTask subTask2 = new SumForkJoinTask((startValue + endValue) / 2 + 1 , endValue);
				subTask2.fork();
				System.out.println(String.format("01.拆分任务=>start:%s,end:%s",startValue,endValue));
				return subTask1.join() + subTask2.join();
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
		ForkJoinTask<Integer> taskFuture =  pool.submit(new SumForkJoinTask(1,1001));
		try {
			Integer result = taskFuture.get();
			System.out.println("result = " + result);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace(System.out);
		}
	}

打印结果：

01.拆分任务=>start:1,end:1001
01.拆分任务=>start:1,end:251
02.执行任务=>start:1,end:126
02.执行任务=>start:127,end:251
01.拆分任务=>start:252,end:501
02.执行任务=>start:252,end:376
02.执行任务=>start:377,end:501
01.拆分任务=>start:502,end:1001
01.拆分任务=>start:502,end:751
01.拆分任务=>start:1,end:501
01.拆分任务=>start:752,end:1001
02.执行任务=>start:502,end:626
02.执行任务=>start:752,end:876
02.执行任务=>start:627,end:751
02.执行任务=>start:877,end:1001
result = 501501

wait和notity

wait和notify是线程的阻塞和通知,可以实现线程间的通信。具体的流程图如下：

具体使用代码如下：

 public class LockWait {
	
	static volatile List<String> itemContainer = new ArrayList<>();
	static Object obj = new Object();
	
	public static void main(String[] args) {
		Thread th1 = new Thread(() -> {
			synchronized (obj) {
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					System.out.println("th1添加元素");
					itemContainer.add(String.valueOf(i));
					if (itemContainer.size() == 5) {
						System.out.println("th1线程发出通知");
						obj.notify();
					}
				}
			}
		});
		
		Thread th2 = new Thread(() -> {
			synchronized (obj) {
				System.out.println("进入th2线程");
				if (itemContainer.size() != 5) {
					try {
						System.out.println("th2线程开始等待");
						obj.wait();
						System.out.println("th2线程等待结束");
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println("th2线程结束");
				}
			}
			
		});
		
		th2.start();
		th1.start();
	}
}
```   

具体可以查看[Java多线程通信lock和wait](/2018/12/01/lockwait/)    

在`wait`和`notify`释放锁的情况，`wait` 不释放锁，`notify`释放锁。

### 线程池  

创建和销毁线程需要耗费CPU的资源，为了不必要的浪费，可以把线程进行池化管理，这就是线程池。

在Java中有四个类型的线程池，分别是：  

`newFixedThreadPool`:初始化一个固定线程数的线程池，即使没有任务线程也会驻留在内存中。   

`newCachedThreadPool`: 初始化一个缓存线程池，不控制线程数据量，当没有任务执行的，超时会自动释放。在使用时，要注意线程数量和创建线程的开销。
   

`newSingleThreadExecutor`：初始化只有一个线程的线程池， 如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行。

`newScheduledThreadPool`: 初始化的线程池可以在指定的时间内周期性的执行所提交的任务。  

下面newFixedThreadPool使用的方法，其他的用法类似。

``` Java
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
     executorService.execute(()->{
          
     });

Future和FutureTask的使用

Future是一个interface，FutureTask是其中的一个实现类， 多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后，再去获取结果。

具体使用方法：

public class FutureTaskObj {
	public static void main(String[] args) {
		TaskObj task = new TaskObj();
		FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
		Thread thread = new Thread(futureTask);
		thread.start();
		System.out.println("创建Task完成");
		System.out.println("主线程继续执行");
		
		try {
			System.out.println("运行结果" + futureTask.get());
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		System.out.println("所有任务执行完毕");
	}
}

class TaskObj implements Callable<Integer> {
	@Override
	public Integer call() throws Exception {
		System.out.println("子线程在进行计算");
		Thread.sleep(1000);
		int sum = 0;
		for (int i = 0; i < 100; i++)
			sum += i;
		return sum;
	}
}

```   

`Future`也可以使用线程池的方法启动，具体代码如下：

```Java
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
TaskObj task = new TaskObj();
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
executor.submit(futureTask);
executor.shutdown();

其他几个类的使用

---

CountDownLatch

CountDownLatch 是等待线程执行完，在进行执行,具体的执行逻辑：

具体的执行代码：

public static void main(String[] args) {
     try {
          CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
          
          for (int i = 0; i < 5; i++) {
               int finalI = i;
               Thread th=new Thread(()->{
                    System.out.println(String.format("执行第：%s个线程",finalI));
                    countDownLatch.countDown();
               });
               th.start();
          }
          
          countDownLatch.await();
          System.out.println("执行完成");
     } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
     }
}

```     

打印结果:

``` cte
执行第：0个线程
执行第：1个线程
执行第：3个线程
执行第：2个线程
执行第：4个线程
执行完成

CyclicBarrier

CyclicBarrier 是栅栏的意思，线程数达到某个值时，再继续执行。

具体代码：

public static void main(String[] args) {
	try {
			CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
			for (int i = 0; i < 3; i++) {
				int finalI = i;
				Thread th = new Thread(() -> {
					try {
						System.out.println(String.format("执行第%s个线程", finalI));
						cyclicBarrier.await();
						System.out.println(String.format("第%s个线程执行完成", finalI));
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					} catch (BrokenBarrierException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				});
				th.start();
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
}
```   

打印结果是：  

``` cte
执行第0个线程
执行第1个线程
执行第2个线程
第0个线程执行完成
第2个线程执行完成
第1个线程执行完成

Semaphore

Semaphore 称为信号量,是指定几个数量线程通过。

具体代码如下：

public static void main(String[] args) {
     Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
     for (int i = 0; i < 10; i++) {
          try {
               System.out.println(String.format("获得第%s个许可", i));
               semaphore.acquire();
               System.out.println(String.format("第%s个许可获得成功", i));
               int finalI = i;
               Thread th = new Thread(() -> {
                    System.out.println(String.format("执行第%s个线程", finalI));
                    semaphore.release();
                    System.out.println(String.format("第%s个线程执行完成", finalI));
               });
               th.start();
          } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
          }
     }
}
```   

执行打印结果：   

```cte   
获得第0个许可
第0个许可获得成功
获得第1个许可
第1个许可获得成功
获得第2个许可
执行第0个线程
第0个线程执行完成
第2个许可获得成功
获得第3个许可
执行第1个线程
第1个线程执行完成
....
```  
分析上面的结果，可以发现只有两个线程同时执行，等一个线程释放了，另一个线程才能执行完成。  

#### LockSupport    

`LockSupport`与`Semaphore`类似，相当于只有一个许可的信号量`Semaphore semaphore = new Semaphore(1)`,具体的实现逻辑：   

![LockSupport](/img/assets/41/07_marked.png)   


``` Java   
public static void main(String[] args) {
     for (int i = 0; i < 10; i++) {
          try {
               int finalI = i;
               Thread th = new Thread(() -> {
                    System.out.println(String.format("执行第%s个线程", finalI));
                    LockSupport.park();
                    System.out.println(String.format("第%s个线程执行完成", finalI));
               });
               th.start();
               Thread.sleep(1000);
               LockSupport.unpark(th);
               Thread.sleep(1000);
               System.out.println("主线程执行完成");
          } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
          }
     }
}

```  

打印结果：  

``` cte
执行第0个线程
第0个线程执行完成
主线程执行完成
执行第1个线程
第1个线程执行完成
主线程执行完成
执行第2个线程
第2个线程执行完成