多執行緒編程（1）
- 2019 年 10 月 21 日
- 筆記
1. 進程與執行緒
通常，一個任務就是一個進程（Process），比如打開一個瀏覽器就是啟動一個瀏覽器進程，打開一個Word就啟動了一個Word進程。大多時候一個進程需要同時干很多件事情，比如Word，它可以同時進行打字、拼寫檢查、列印等事情。在一個進程內部，要同時干多件事，就需要同時運行多個“子任務”，我們把進程內的這些“子任務”稱為執行緒（Thread）。即一個程式至少有一個進程,一個進程至少有一個執行緒。
我們大學學作業系統的時候，都知道進程是資源分配的基本單位，執行緒是執行和調度的基本單位，執行緒本身不擁有資源，資源來自於它的進程。
執行緒分為兩種：用戶執行緒和守護執行緒。守護 執行緒，是指在程式運行的時候在後台提供一種通用服務的執行緒，比如垃圾回收執行緒就是一個很稱職的守護者，並且這種執行緒並不屬於程式中不可或缺的部分。守護執行緒是用來服務用戶執行緒的，一旦用戶執行緒全部運行結束，程式會終止，守護執行緒也會隨之退出。
在進入多執行緒之前，可以先看看執行緒的幾種狀態：
- 1. 新建(NEW)：新創建了一個執行緒對象。
- 2. 就緒(RUNNABLE或READY) ：執行緒正在參與競爭CPU的使用權。
- 3. 運行(RUNNING)：執行緒取到了CPU的使用權，正在執行。
- 4. 阻塞(BLOCKED)：阻塞狀態是執行緒因為某種原因放棄CPU使用權，暫時停止運行。直到滿足條件（比如超時等待、喚醒）時，該執行緒重新回到就緒態，參與競爭CPU使用權。
- 5. 等待(WAITING)：執行緒無限等待某個對象的鎖，或等待另一個執行緒結束的狀態。
- 6. 計時等待(TIME_WAITING)：執行緒在某一段時間內等待某個對象的“鎖”，或者主動休眠，亦或者等待一個執行緒結束，除非被中斷，時間一到，馬上回到就緒狀態，被中斷的方法則拋出異常。
- 7. 終止(Terminated)：即執行緒終止（執行緒的的程式碼被執行完畢）和執行過程出現異常或者被外界強制中斷。
狀態的轉換的具體轉換如下圖所示：
2. Thread類和Runnable介面
通過繼承Thread類，實run方法即可實現一個執行緒類，常用的API如下：
| 方法描述 | |
|---|---|
| start() | 從新建狀態轉化為就緒狀態，開始參與CPU使用權的競爭。 |
| run() | 直接調用該 Runnable 對象的 run 方法時直接取得CPU的使用權 |
| interrupt() | 中斷執行緒。在程式程式碼中搭配while (!Thread.interrupted()){..}使用。 |
| isDaemon() | 判斷當前執行緒是否是守護執行緒。 |
| setDaemon(boolean true) | 將當前執行緒設置為守護執行緒，必須在調用start()之後才有效。 |
| setPriority(int priority) | 更改執行緒的優先順序。 |
| interrupt() | 中斷執行緒。 |
| isAlive() | 測試執行緒是否處於活動狀態。 |
| join(long millisec) | 等待該執行緒終止的時間最長為 millis 毫秒。 |
| Thread.yield() | 暫停當前正在執行的執行緒對象（讓出當前執行緒的CPU，轉為就緒狀態），並執行其他執行緒。 |
| Thread.currentThread() | 返回對當前正在執行的執行緒對象的引用。 |
| Thread.sleep(long millisec) | 在指定的毫秒數內讓當前正在執行的執行緒休眠（暫停執行），此操作受到系統計時器和調度程式精度和準確性的影響。 |
由於java中的類是單繼承的，而介面可以多繼承。一個類實現多個介面的情況，因為介面只有抽象方法，具體方法只能由實現介面的類實現，在調用的時候始終只會調用實現類的方法（不存在歧義），因此在開發中通常使用Runnable。
public class Thread1 implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("iii"); } public static void main(String[] args) { Thread1 rt = new Thread1(); Thread t = new Thread(rt); t.start(); } }
3. 執行緒池
當執行緒的在某一時刻大量的創建與銷毀會消耗很多資源，我們可以提前創建好一些執行緒，將他們集中管理起來，形成一個執行緒池，需要使用的時候直接拿過來用，使用完後，放回執行緒池。
Executor框架
在 java.util.cocurrent 包下，通過該框架來控制執行緒的啟動、執行和關閉，可以簡化並發編程的操作，由Executors類的五個靜態工廠方法創建，其常用方法如下。
3.1 執行緒池的創建
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newFixedThreadPool：創建固定大小的執行緒池。執行緒池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個執行緒因為執行異常而結束，那麼執行緒池會補充一個新執行緒。
public class Executors { /* 函數功能：創建一個固定長度的的執行緒池，用於保存任務的阻塞隊列為無限制長度的LinkedBlockingQueue。 執行緒池中的執行緒將會一直存在除非執行緒池shutdown，即執行緒池中的執行緒沒有受到存活時間的限制。 */ public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { /* 參數一 核心執行緒數大小（最小執行緒數），當執行緒數 < 參數一 ，會創建執行緒執行 runnable * 參數二 最大執行緒數， 當執行緒數 >= 參數二，會把runnable放入workQueue(參數5)中 * 參數三 保持存活時間，空閑執行緒能保持的最大時間。 * 參數四 時間單位 * 參數五 保存任務的阻塞隊列 *public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueu */ return new ThreadPoolExecutor(nThreads1, nThreads2, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } //... } ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(20); //如果執行緒池中執行緒數過大或過小，都會影響性能 -
newCachedThreadPool：創建一個可快取空閑執行緒60秒的執行緒池。如果執行緒池的大小超過了處理任務所需要的執行緒，那麼就會回收部分空閑（60秒不執行任務）的執行緒，當任務數增加時，此執行緒池又可以智慧的添加新執行緒來處理任務。
public class Executors { public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); } //... } ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); //缺點是在訪問量突然很大的時候，會創建大量執行緒 -
創建一個單執行緒的執行緒池。這個執行緒池只有一個執行緒在工作，也就是相當於單執行緒串列執行所有任務。如果這個唯一的執行緒因為異常結束，那麼會有一個新的執行緒來替代它。
ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); //等同於 ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
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newScheduledThreadPool：創建一個大小無限的執行緒池。此執行緒池支援定時以及周期性執行任務的需求。
public static void main(String[] args) { ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(1); ses.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(new Date()); } }, 1000/*第一個周期開始的時間*/, 2000/*每個周期間隔的時間*/, TimeUnit.MILLISECONDS); } -
newSingleThreadScheduledExecutor：創建一個單執行緒的執行緒池。此執行緒池支援定時以及周期性執行任務的需求。
3.2 執行緒池中執行緒的使用
通過Executors類去獲得的執行緒池都實現了ExecutorService這個介面。可以調用execute()或者submit()方法把相應的任務提交到執行緒池中去。
1. execute(Runnable): 這個方法接收一個Runnable實例，並且非同步的執行。
public static void main(String[] args) { ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); // Future future = es.execute(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("run the thread."); } }); System.out.println("over"); } /* output: * over * run the thread. */
2. submit(Runnable): submit(Runnable)和execute(Runnable)區別是前者可以返回一個Future對象，通過返回的Future對象，我們可以檢查提交的任務是否執行完畢。
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); Future future = es.submit(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("run the thread."); } }); future.get(); //future.get()方法會產生阻塞，直到上面的執行緒完成，即等待一秒鐘 System.out.println("over"); } /* output: * run the thread. * over */
3. submit(Callable): submit(Callable)和submit(Runnable)類似，也會返回一個Future對象，但是參數Callable類中的call方法可以返回一個值，而Runable不行。
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); Future future = es.submit(new Callable() { @Override public Object call() throws Exception { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "run the thread."; } }); String rs = (String)future.get(); //future.get()方法會產生阻塞 System.out.println("over and " + rs); } /* output: * over and run the thread. */
4. invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks>): 方法輸入接受一個Callable集合類型的參數，啟動多個執行緒相互獨立的去執行對應執行緒的任務，一旦有一個執行緒執行完畢，則返回，同時其他執行緒終止。
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3); Set<Callable<String>> callables = new HashSet<Callable<String>>(); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(2000); return " first task"; } }); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(1000); return " second task"; } }); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(3000); return " third task"; } }); String rs = es.invokeAny(callables); System.out.println(rs); } /* output * second task */
5. invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks>): 該方法則會並行的執行Callable集合類型的所有方法。
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3); Set<Callable<String>> callables = new HashSet<Callable<String>>(); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(2000); return " first task"; } }); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(1000); return " second task"; } }); callables.add(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(3000); return " third task"; } }); List<Future<String>> list= es.invokeAll(callables); for (Future<String> future:list) { String s = future.get(); System.out.println(s); } }
6. shotdown(): 調用該方法後，關閉執行緒池，已提交的方法會繼續執行，執行結束後，執行緒池全部關閉，該方法是一個非同步方法，一旦調用，立即返回。
7.shotdownNow(): 調用該方法後，關閉執行緒池，已提交的方法也會被取消，執行緒池立即全部關閉，該方法是一個非同步方法，一旦調用，立即返回。
8. awaitTermination(timeout,unit): 調用該方法阻塞當前執行緒，使得執行緒池中的執行緒執行完畢，最長等待時間為timeout，此方法需要在調用shotdown/shotdownNow後才有效。
public class ThreadSafe implements Runnable { private static int count = 0; @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { count++; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10); for (int i = 0; i < 20; i++) { es.execute(new ThreadSafe()); } es.shutdown(); //不允許添加執行緒，非同步關閉連接池 es.awaitTermination(10L, TimeUnit.SECONDS); //等待連接池的執行緒任務完成 System.out.println(count); } } /* output * 200 */
參考文獻
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龐永華. Java多執行緒與Socket：實戰微服務框架[M].電子工業出版社.2019.3
