目录
- 引出
- 对象原子更新
- AtomicReference
- AtomicLongFieldUpdater
- ABA问题
- 创建线程有几种方式？
- 方式1：继承Thread创建线程
- 方式2：通过Runnable
- 方式3：通过Callable创建线程
- 方式4：通过线程池
- 概述
- ThreadPoolExecutor API
- 代码实现
- 源码分析
- 工作原理：
- 线程池的阻塞队列选择
- 线程池已满又有新任务？
- 拒绝策略
- 如何优化线程池配置？
- Executors
- 总结
引出
Java多线程——对象的原子更新
对象原子更新
AtomicReference
package cn.test3;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
class CartItem{
private Long itemId;
private Long num;
}
public class App17 {
/**
* AtomicReference
* 1、原子更新引用类型
* 2、AtomicReference是对对象进行原子操作，保证多线程操作同一个对象时候的线程安全性
*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//1. 创建原子更新引用类型，保证多线程操作对象的原子性
AtomicReference<CartItem> atomicReference = new AtomicReference<>();
CartItem cartItem = new CartItem(1L,100L);
//2. 存入对象
atomicReference.set(cartItem);
//3. 原子方式更新对象，会与set时候存入的对象进行对比，如果是同一个对象更新成功返回true
boolean result = atomicReference.compareAndSet(cartItem, new CartItem(2L, 200L));
System.out.println("result = " + result);
System.out.println(atomicReference.get());
}
}
AtomicLongFieldUpdater
/**
* AtomicLongFieldUpdater
* 1、原子更新字段类型
* 2、保证对象属性原子操作线程安全
*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicLongFieldUpdater atomicIntegerFieldUpdater =
AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(CartItem.class,"num");
CartItem user = new CartItem(1L,100L);
boolean flag = atomicIntegerFieldUpdater.compareAndSet(user, user.getNum(), 101);
System.out.println("flag = " + flag);
System.out.println("原子更新后的值："+atomicIntegerFieldUpdater.get(user));
}
要求字段必须式： public volatile long（基本类型）
ABA问题
ABA问题: 如果另一个线程修改V值假设原来是A，先修改成B，再修改回成A。当前线程的CAS操作无法分辨当前V值是否发生过变化。
危害：
小明在提款机，提取了50元，因为提款机问题，有两个线程，同时把余额从100变为50
线程1（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程2（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程1成功执行，线程2某种原因block了，这时，某人给小明汇款50
线程3（默认）：获取当前值50，期望更新为100，
这时候线程3成功执行，余额变为100，
线程2从Block中恢复，获取到的也是100，compare之后，继续更新余额为50！！！
此时可以看到，实际余额应该为100（100-50+50），但是实际上变为了50（100-50+50-50）这就是ABA问题带来的成功提交。
解决方法： 在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候变量的版本号都+1，即A->B->A就变成了1A->2B->3A。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicStampedReference<Integer> asr = new AtomicStampedReference<>(50,0);
Thread thread1 = new Thread(()->{
asr.compareAndSet(50,100,asr.getStamp(),asr.getStamp()+1);
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
asr.compareAndSet(100,50,asr.getStamp(),asr.getStamp()+1);
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
int stamp = asr.getStamp();
System.out.println("thread2获取版本 = " + stamp);
boolean result = asr.compareAndSet(50, 200, stamp, asr.getStamp() + 1);
System.out.println("result = " + result);
},"thread2");
thread1.start();
thread2.start();
}
单独测试：
public class App20 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Integer num1 = 1000;
Integer num2 = 2000;
Integer num3 = 3000;
Integer num4 = 4000;
AtomicStampedReference<Integer> asr = new AtomicStampedReference<>(num1, 0);
boolean b3 = asr.compareAndSet(num1, num2, asr.getStamp(), asr.getStamp()+1);
boolean b2 = asr.compareAndSet(num2, num3, asr.getStamp(), asr.getStamp()+1);
boolean b = asr.compareAndSet(num3, num4, asr.getStamp(), asr.getStamp()+1);
System.out.println("b = " + b);
System.out.println(asr.getReference());
}
}
创建线程有几种方式？
方式1：继承Thread创建线程
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
public static void main(String[] args) {
MyThread t1 = new MyThread();
t1.start();
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();
}
}
方式2：通过Runnable
public class App2 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("i = " + i);
}
}).start();
}
}
方式3：通过Callable创建线程
一个可取消的异步计算。FutureTask提供了对Future的基本实现，可以调用方法去开始和取消一个计算，可以查询计算是否完成并且获取计算结果。只有当计算完成时才能获取到计算结果，一旦计算完成，计算将不能被重启或者被取消，除非调用runAndReset方法。
总的来说，如果你需要在线程任务执行完毕后获取返回结果，或者需要在任务中处理受检查异常，那么你应该使用 Callable 接口。如果你只需要执行一个简单的线程任务而不关心返回结果，那么使用 Runnable 接口更加合适。
package cn.test;
import java.util.concurrent.*;
public class App3 {
public static void main(String[] args) {
//1、计算任务，实现Callable接口
Callable<String> callable = ()->{
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 20; i++) {
sum += i;
// 耗时操作
Thread.sleep(100);
}
return "计算结果：" + sum;
};
//2、创建FutureTask，传入callable对象
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable);
//3、创建启动线程
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
try {
String result = futureTask.get(1, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("result = " + result);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
} catch (TimeoutException e) {
e.printStackTrace();
// 超时中断执行
futureTask.cancel(true);
System.out.println("超时中断执行");
}
}
}
方式4：通过线程池
概述
线程过多会带来额外的开销，频繁创建和销毁大量线程需要占用系统资源，消耗大量时间。其中包括创建销毁线程的开销、调度线程的开销等等，同时也降低了计算机的整体性能。线程池维护多个线程，等待监督管理者分配可并发执行的任务。这种做法，一方面避免了处理任务时创建销毁线程开销的代价，另一方面避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题，保证了对内核的充分利用。
ThreadPoolExecutor API
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
corePoolSize ：核心池的大小，如果调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，会直接预先创建corePoolSize指定大小的线程，否则当有任务来之后，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；这样做的好处是，如果任务量很小，那么甚至就不需要缓存任务，corePoolSize的线程就可以应对；
maximumPoolSize：线程池最大线程数，表示在线程池中最多能创建多少个线程，如果运行中的线程超过了这个数字，那么相当于线程池已满，新来的任务会使用RejectedExecutionHandler 进行处理；
keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止，然后线程池的数目维持在corePoolSize 大小；
unit：参数keepAliveTime的时间单位；
workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，如果当前对线程的需求超过了corePoolSize大小，才会放在这里；
threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程，比如可以指定线程的名字；
handler：如果线程池已满，新的任务的处理方式
代码实现
public class App4 {
// 线程池的核心线程数
private static final int CORE_POOL_SIZE = 5;
// 线程池的最大线程数
private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;
// 当线程数大于核心线程数时，多余的空闲线程存活的最长时间
private static final int KEEP_ALLOW_TIME = 100;
// 任务队列大小，用来存储等待执行任务的队列
private static final int QUEUE_CAPACITY = 100;
public static void main(String[] args) {
// handler 指定拒绝策略，当提交的任务过多不能及时处理，我们通过定制的策略处理任务
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
CORE_POOL_SIZE,
MAX_POOL_SIZE,
KEEP_ALLOW_TIME,
TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY),
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
);
//executor.prestartAllCoreThreads();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Runnable runnable = () -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":start");
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":end");
};
// 运行线程
executor.execute(runnable);
}
// 终止线程池
executor.shutdown();
while (!executor.isTerminated()) {}
System.out.println("Finish All");
}
}
源码分析
/*The main pool control state, ctl, is an atomic integer packing
* two conceptual fields
* workerCount, indicating the effective number of threads
* runState, indicating whether running, shutting down etc
*/
// 存放线程池的线程池内有效线程的数量 (workerCount)和运行状态 (runState)
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static int workerCountOf(int c) {
return c & CAPACITY;
}
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
public void execute(Runnable command) {
// 如果任务为null，则抛出异常。
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// ctl 中保存的线程池当前的一些状态信息
int c = ctl.get();
// 下面会涉及到 3 步 操作
// 1.首先判断当前线程池中之行的任务数量是否小于 corePoolSize
// 如果小于的话，通过addWorker(command, true)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2.如果当前之行的任务数量大于等于 corePoolSize 的时候就会走到这里
// 通过 isRunning 方法判断线程池状态，线程池处于 RUNNING 状态才会被并且队列可以加入任务，该任务才会被加入进去
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次获取线程池状态，如果线程池状态不是 RUNNING 状态就需要从任务队列中移除任务，并尝试判断线程是否全部执行完毕。同时执行拒绝策略。
if (!isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果当前线程池为空就新创建一个线程并执行。
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//3. 通过addWorker(command, false)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
//如果addWorker(command, false)执行失败，则通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
工作原理：
- 线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面有任务，线程池也不会马上执行它们。
- 当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：
- 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
- 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列。
- 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建线程运行这个任务；
- 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常，告诉调用者“我不能再接受任务了”。
3，当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
4，当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。
这样的过程说明，并不是先加入任务就一定会先执行。假设队列大小为 10，corePoolSize 为 3，maximumPoolSize 为 6，那么当加入 20 个任务时，执行的顺序就是这样的：首先执行任务 1、2、3，然后任务 4~13 被放入队列。这时候队列满了，任务 14、15、16 会被马上执行，而任务 17~20 则会抛出异常。最终顺序是：1、2、3、14、15、16、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。
线程池的阻塞队列选择
如果线程数超过了corePoolSize，则开始把线程先放到阻塞队列里，相当于生产者消费者的一个数据通道，有以下一些阻塞队列可供选择：
-
ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。
-
DelayQueue
DelayQueue阻塞的是其内部元素，DelayQueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed接口，该接口只有一个方法就是long getDelay(TimeUnit unit)，返回值就是队列元素被释放前的保持时间，如果返回0或者一个负值，就意味着该元素已经到期需要被释放，此时DelayedQueue会通过其take()方法释放此对象，DelayQueue可应用于定时关闭连接、缓存对象，超时处理等各种场景；
-
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。
-
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。
-
SynchronousQueue
SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。
使用的最多的应该是LinkedBlockingQueue，注意一般情况下要配置一下队列大小，设置成有界队列，否则JVM内存会被撑爆！
线程池已满又有新任务？
如果线程池已经满了可是还有新的任务提交怎么办？
线程池已满的定义，是指运行线程数==maximumPoolSize，并且workQueue是有界队列并且已满（如果是无界队列当然永远不会满）；
这时候再提交任务怎么办呢？线程池会将任务传递给最后一个参数RejectedExecutionHandler来处理，比如打印报错日志、抛出异常、存储到Mysql/redis用于后续处理等等，线程池默认也提供了几种处理方式，详见下一章：
拒绝策略
拒绝策略指的就是线程池已满情况下任务的处理策略，默认有以下几种：
1、ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 中，处理程序遭到拒绝将抛出运行时RejectedExecutionException。
/**
* A handler for rejected tasks that throws a
* {@code RejectedExecutionException}.
*/
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
/**
* Creates an {@code AbortPolicy}.
*/
public AbortPolicy() { }
/**
* Always throws RejectedExecutionException.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
* @throws RejectedExecutionException always
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
}
2、在 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy，交给线程池调用所在的线程进行处理。
/**
* A handler for rejected tasks that runs the rejected task
* directly in the calling thread of the {@code execute} method,
* unless the executor has been shut down, in which case the task
* is discarded.
*/
public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
/**
* Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
*/
public CallerRunsPolicy() { }
/**
* Executes task r in the caller's thread, unless the executor
* has been shut down, in which case the task is discarded.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
}
3、在 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 中，直接丢弃后来的任务
/**
* A handler for rejected tasks that silently discards the
* rejected task.
*/
public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
/**
* Creates a {@code DiscardPolicy}.
*/
public DiscardPolicy() { }
/**
* Does nothing, which has the effect of discarding task r.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
}
}
4、在 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 丢弃队列里最老的任务，将当前这个任务继续提交给线程池。
/**
* A handler for rejected tasks that discards the oldest unhandled
* request and then retries {@code execute}, unless the executor
* is shut down, in which case the task is discarded.
*/
public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
/**
* Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
*/
public DiscardOldestPolicy() { }
/**
* Obtains and ignores the next task that the executor
* would otherwise execute, if one is immediately available,
* and then retries execution of task r, unless the executor
* is shut down, in which case task r is instead discarded.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
}
5、当然也可以自己实现处理策略类，继承RejectedExecutionHandler接口即可，该接口只有一个方法：
void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
如何优化线程池配置？
如何合理配置线程池大小，仅供参考。
一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：
如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为【(CPU总核数)】 或者 【(CPU总核数+1)】
如果是IO密集型任务，类似 网络I/O、数据库、磁盘I/O 等，参考值可以设置为【(2 * CPU总核数)】
当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，
再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。
其中NCPU的指的是CPU的核心数，可以使用下面方式来获取；
public static void main(String[] args) {
int ncpu = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
System.out.println("cpu核数 = " + ncpu);
}
Executors
通过Executors类提供四种线程池。创建方法为静态方式创建。
Executors.newFixedThreadPool();
返回线程池对象。创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
可见该方法让keepAliveTime为0，即限制了线程数必须小于等于corePoolSize。而多出的线程则会被无界队列所存储，在其中排队。
Executors.newCachedThreadPool();
创建一个可缓存线程池，线程池长度超过处理需要时，可灵活回收空闲线程，若无可回收线程则新建线程。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
该方法中所有线程均由SynchronousQueue管理，且不设置线程数量上限。对于SynchronousQueue，每个插入线程必须等待另一线程的对应移除操作。（即该队列没有容量，仅试图取得元素时元素才存在）因而，该方法实现了，如果有线程空闲，则使用空闲线程进行操作，否则就会创建新线程。
Executors.newScheduledThreadPool();
创建一个定长线程池，相对于FixedThreadPool，它支持周期性执行和延期执行。
1、延迟3秒执行
public static void main(String[] args) {
ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);
executorService.schedule(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":线程启动");
},3, TimeUnit.SECONDS);
executorService.shutdown();
}
2、每三秒隔一秒执行
public static void main(String[] args) {
ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);
executorService.scheduleAtFixedRate(()->{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":线程启动");
},1,3, TimeUnit.SECONDS);
}
Executors.newSingleThreadExecutor();
创建一个单线程线程池，只会用唯一的工作线程执行任务，保证所有任务按FIFO，LIFO的优先级执行。
在实现上，其相当于一个线程数为1的FixedThreadPool
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
总结
Java多线程——对象的原子更新
