初尝并行编程

进程被分为后台进程和应用进程

大部分后台进程在系统开始运行时被操作系统启动，完成操作系统的基础服务功能。大部分应用进程由用户启动，完成用户所需的具体应用功能

进程由程序段、数据段、进程控制块三部分组成

程序段也被称为是代码段，代码段是进程的操作数据在内存中的位置，包括需要操作的数据集合；程序控制块包含进程的描述信息和控制信息，是进程的存在的唯一标识

程序控制块（Program Control Block，PCB）包含进程的描述信息和控制信息，是进程存在的唯一标 志。

PCB分为四部分

• 进程的描述信息
  • 进程ID，进程名称，进程ID是唯一的，进程状态，进程优先级
• 进程的调度信息
  • 程序起始地址
  • 通信信息
• 进程的资源信息
  • 内存信息，内存占用情况和内存管理所用的数据结构
  • I/O设备信息
  • 文件句柄
• 进程的上下文
  • 执行时各种CPU寄存器的值
  • 当前线程计数器
  • 各种栈值信息

线程由三部分组成

• 线程的描述信息
  • 线程ID
  • 线程名称
  • 线程优先级
  • 线程状态
  • 其他，例如是否为守护线程
• 程序计数器
• 栈内存

通过实现Runnable接口的方式创建线程目标类

缺点：

• 所创建的类并不是线程类，而是线程的执行目标类
• 如果访问当前线程的属性，不能直接访问Thread的实例方法，必须通过Thread.currentThread()获取当前的线程实例，才能访问和控制当前线程。

优点：

• 避免Java单继承的局限性，如果异步逻辑所在的类已经继承了一个基类，就没办法继承Thread类
• 逻辑和数据更好的分离

继承Thread类实现多线程能更好地做到多个线程并发的完成各自的任务，访问各自的数据

使用Callable和FurtureTask创建线程

RunnableFurture接口

Future接口提供了三大功能：

• 能够取消异步执行的任务
• 判断异步任务是否执行完成
• 获取异步任务完成后的结果

通过线程池创建执行目标提交

private static ExecutorService pool =
Executors.newFixedThreadPool(3);

线程的调度模型

• 分时调度模型

  系统平均分配CPU时间片

• 抢占式调度模型

  优先级高的优先分配

线程的生命周期

public static enum State {NEW, //新建RUNNABLE, //可执行：包含操作系统的就绪、运
行两种状态BLOCKED, //阻塞WAITING, //等待TIMED_WAITING, //限时等待TERMINATED; //终止}

四种常见状态

• NEW状态

  创建成功但是没有调用start()方 法启动的Thread线程实例都处于NEW状态。

• RUNNABLE状态

  当Java 线程的Thread实例的start()方法被调用后，操作系统中的对应线程进 入的并不是运行状态，而是就绪状态，而Java线程并没有这个就绪状 态。

  一旦就绪状态被系统选中，获得CPU时 间片，线程就开始占用CPU，开始执行线程的代码，这时线程的操作系 统状态发生了改变，进入了运行状态。

• TERMINATED状态

  处于RUNNABLE状态的线程在run()方法执行完成之后就变成终止状 态TERMINATED了。

• TIMED_WAITING状态

  线程处于一种特殊的等待状态，准确地说，线程处于限时等待状态。

  • Thread.sleep(int n)：使得当前线程进入限时等待状态， 等待时间为n毫秒。
  • Object.wait()：带时限的抢占对象的monitor锁
  • Thread.join()：带时限的线程合并。
  • LockSupport.parkNanos()：让线程等待，时间以纳秒为单 位。
  • LockSupport.parkUntil()：让线程等待，时间可以灵活设置

• yield仅能使一个线程从运行状态变为就绪状态，而不是阻塞状态

• yield不能保证使得当前正在运行的线程迅速转换到就绪状 态。

• 即使完成了迅速切换，系统通过线程调度机制从所有就绪线 程中挑选下一个执行线程时，就绪的线程有可能被选中，也有可能不 被选中，其调度的过程受到其他因素（如优先级）的影响

守护线程和用户线程

守护线程在JVM中相当于保姆的角色：只 要JVM实例中尚存在任何一个用户线程没有结束，守护线程就能执行自 己的工作；只有当最后一个用户线程结束，守护线程随着JVM一同结束 工作。

守护线程和用户线程的本质区别是：二者与JVM虚拟机进 程终止的方向不同。用户线程和JVM进程是主动关系，如果用户线程全 部终止，JVM虚拟机进程也随之终止；守护线程和JVM进程是被动关 系，如果JVM进程终止，所有的守护线程也随之终止

使用守护线程需要注意的方面：

• 守护线程必须在启动前将其守护状态设置为true，启动之后 不能再将用户线程设置为守护线程，否则JVM会抛出一个 InterruptedException异常。
• 守护线程存在被JVM强行终止的风险，所以在守护线程中尽 量不去访问系统资源，如文件句柄、数据库连接等。守护线程被强行 终止时，可能会引发系统资源操作不负责任的中断，从而导致资源不 可逆的损坏。
• 守护线程创建的线程也是守护线程。

线程进入就绪状态的条件：

• 调用线程的start()方法，此线程就会进入就绪状态。
• 当前线程的时间片用完
• 线程睡眠（Sleep）操作结束
• 对其他线程合入（Join）操作结束
• 等待用户输入结束
• 线程争抢到对象锁（Object Monitor）
• 当前线程调用了yield()方法让出CPU执行权限

处于阻塞状态的线程不会占用CPU的资源

进入阻塞的情况

• 线程等待获取锁
• IO阻塞

线程的创建

• 必须为线程堆栈分配和初始化大量内存块，其中包含至少 1MB的栈内存
• 需要进行系统调用，以便在OS（操作系统）中创建和注册本 地线程

线程池解决的问题：

• 提升性能：线程池能独立负责线程的创建、维护和分配。在 执行大量异步任务时，可以不需要自己创建线程，而是将任务交给线程池去调度。线程池能尽可能使用空闲的线程去执行异步任务，最大 限度地对已经创建的线程进行复用，使得性能提升明显。
• 线程管理：每个Java线程池会保持一些基本的线程统计信 息，例如完成的任务数量、空闲时间等，以便对线程进行有效管理， 使得能对所接收到的异步任务进行高效调度。

由于创建和销毁线程需要时间以及系统资源开销，使用线程池的好处是减少这些开销，解决资源不足的问题

JUC的线程架构

• Executor

  Executor是Java异步目标任务的执行者接口，其目标是执行目标任务，提供了execute()接口来执行已提交的Runnable执行目标实例。

• ExecutorService

  继承于Executor。它是Java异步目标任务的执行者服务接口，对外提供异步任务的接收服务。

• AbstractExecutorService

  是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口，存在的目的是为了ExecutorService中的接口默认实现

• ThreadPoolExecutor

  线程池的实现类，继承于AbstractExecutorService抽象类

  JUC线程池的核心实现类 提供了指定数量的可重用线程，所以使用线程需要很大的开销

• ScheduleExcutorService

  是一个接口可以完成延时和周期性任务的调度线程池的接口。其功能和Timer/TimerTask类似

• ScheduledThreadPoolExecutor

• Executors

  静态工厂类，通过静态工厂方法返回线程池的实例对象

  单线程化的线程池中的任务是按照提交次序顺序执行的

  池中唯一线程的存活时间是无限的

  当池中唯一线程正繁忙时，新提交的任务实例会进入内部的阻塞队列中，并且其阻塞队列是无界的

  用例最后调用shutdown()方法来关闭线程池。

newFixedThreadPool创建“固定数量的线程池”

• 如果固定数量线程池没有达到“固定数量”，每次提交一个任务线程池就创建一个新的线程，直到线程达到线程池的固定数量。
• 线程池的大小一旦达到“固定数量”就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新的线程
• 在接受异步任务的执行目标实例时，如果池中所有的线程均处于繁忙状态，新任务会进入阻塞队列中（无界的阻塞队列）

固定数量线程池适用场景；需要任务长期执行的场景。固定数量的线程池的线程数量能比较稳定的保证一个数，避免频繁的回收线程和创建线程，固适用于处理CPU密集型任务，在CPU被工作线程长时间占用时，能确保尽可能少的分配线程

弊端：

• 内部使用无界队列来存放排队任 务，当大量任务超过线程池最大容量需要处理时，队列无限增大，使 服务器资源迅速耗尽。

newCachedThreadPool创建“可缓存线程池”

任务被拒绝有两种情况：

• 线程池已经被关闭
• 工作队列已满且maxmumPoolSize已满

线程池的拒绝策略

• AbortPolicy：拒绝策略（线程池默认的策略）

  使用该策略时，如果线程池队列满了，新任务就会被拒绝，并且 抛出RejectedExecutionException异常。该策略是线程池默认的拒绝 策略。

• DiscardPolicy：抛弃策略

  该策略是AbortPolicy的Silent（安静）版本，如果线程池队列满 了，新任务就会直接被丢掉，并且不会有任何异常抛出。

• DiscardOldestPolicy：抛弃最老任务策略

  抛弃最老任务策略，也就是说如果队列满了，就会将最早进入队 列的任务抛弃，从队列中腾出空间，再尝试加入队列。因为队列是队 尾进队头出，队头元素是最老的，所以每次都是移除队头元素后再尝 试入队。

• CallerRunsPolicy：调用者执行策略

  调用者执行策略。在新任务被添加到线程池时，如果添加失败， 那么提交任务线程会自己去执行该任务，不会使用线程池中的线程去 执行新任务。

• 自定义策略

  如果以上拒绝策略都不符合需求，那么可自定义一个拒绝策略， 实现RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution方法即可。

线程池的五种状态

• RUNNING：线程池创建之后的初始状态，这种状态下可以执行任务
• SHUTDOWN：该状态下线程池不再接受新任务，但是会将工作队列中的任务执行完毕
• STOP：该状态下线程池不再接受新任务，也不会处理工作队列的剩余任务，并且将会中断所有工作线程。
• TIDYING：该状态下所有任务都已终止或者处理完成，将会 执行terminated()钩子方法。
• TERMINATED：执行完terminated()钩子方法之后的状态

线程池的转换规则：

• 线程池创建之后状态为RUNNING。
• 执行线程池的shutdown()实例方法，会使线程池状态从 RUNNING转变为SHUTDOWN。
• 执行线程池的shutdownNow()实例方法，会使线程池状态从 RUNNING转变为STOP。
• 当线程池处于SHUTDOWN状态时，执行其shutdownNow()方法 会将其状态转变为STOP。
• 执行完terminated()钩子方法之后，线程池状态从TIDYING 转变为TERMINATED。

优雅的关闭线程池主要涉及的方法有三个：

• shutdown：是JUC提供的一个有序关闭线程池的方法，此方 法会等待当前工作队列中的剩余任务全部执行完成之后，才会执行关 闭，但是此方法被调用之后线程池的状态转为SHUTDOWN，线程池不会 再接收新的任务
• shutdownNow：是JUC提供的一个立即关闭线程池的方法，此 方法会打断正在执行的工作线程，并且会清空当前工作队列中的剩余 任务，返回的是尚未执行的任务。
• awaitTermination：等待线程池完成关闭。在调用线程池的 shutdown()与shutdownNow()方法时，当前线程会立即返回，不会一直 等待直到线程池完成关闭。如果需要等到线程池关闭完成，可以调用 awaitTermination()方法。

使用Executors快捷创建线程池的潜在问题

• 创建固定数量线程池的潜在问题

  主要存在于其workQueue上，其值为LinkedBlockingQueue（无 界阻塞队列）。如 果任务提交速度持续大于任务处理速度，就会造成队列中大量的任务 等待。如果队列很大，很有可能导致JVM出现OOM（Out Of Memory）异 常，即内存资源耗尽。

• 使用Executors创建“单线程化线程池”的潜在问题

  潜在问题仍然存在于其workQueue属性上，该属性的值为 LinkedBlockingQueue（无界阻塞队列）。如果任务提交速度持续大于 任务处理速度，就会造成队列大量阻塞。如果队列很大，很有可能导 致JVM的OOM异常，甚至造成内存资源耗尽。

• 使用Executors创建“可缓存线程池”的潜在问题

  （1）FixedThreadPool和SingleThreadPool 这两个工厂方法所创建的线程池，工作队列（任务排队的队列） 的长度都为Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的任务，从而导致 OOM（即耗尽内存资源）。

  （2）CachedThreadPool和ScheduledThreadPool 这两个工厂方法所创建的线程池允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE，可能会导致创建大量的线程，从而导致OOM。

线程池的好处：

• 降低资源消耗
• 提高响应速度
• 提高线程的可管理性