多執行緒基礎知識點梳理

xfcoding發表於2023-05-17
執行緒

基礎概念

  1. 程式（process）：程式是計算機中的一個任務，比如開啟瀏覽器、IntelliJ IDEA。
  2. 執行緒（thread）：程式內部有多個子任務，叫執行緒。比如IDEA在敲程式碼的同時還能自動儲存、自動導包，都是子執行緒做的。

程式和執行緒的關係就是一個程式包含一個或多個執行緒。
執行緒是作業系統排程的最小任務單位。執行緒自己不能決定什麼時候執行，由作業系統決定什麼時候排程。因此多執行緒程式設計中，程式碼的先後順序不代表程式碼的執行順序。

多執行緒有什麼好處？

  1. 提高應用程式的效能。非同步程式設計讓程式更快的響應。
  2. 提高CPU利用率。一個執行緒阻塞，另一個執行緒繼續執行，充分利用CPU。

同時多執行緒也會帶來安全問題，比如多個執行緒讀寫一個共享變數，會出現資料不一致的問題。

什麼時候考慮用多執行緒？

  1. 高併發。系統在同一時間要處理多個任務時，需要用多執行緒。
  2. 很耗時的操作。如檔案讀寫，非同步執行不讓程式阻塞。
  3. 不影響方法主流程邏輯，但又影響介面效能的操作，如資料同步，使用非同步方式能提高介面效能。

建立執行緒的方式

多執行緒的建立方法基本有四種：

  • 繼承Thread類
  • 實現Runnalble介面
  • 實現Callable介面
  • 執行緒池

1.繼承Thread類

public class ThreadTest extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新執行緒開始...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTest t = new ThreadTest();
	    t.start();
        System.out.println("main執行緒結束...");
    }
}

main執行緒結束...
新執行緒開始...

啟動一個新執行緒總是呼叫它的start()方法，而不是run()方法；ThreadTest子執行緒啟動後，它跟main就開始同時執行了，誰先執行誰後執行由作業系統排程。所以多執行緒程式碼的執行順序跟程式碼順序無關。

2.實現Runnable介面

實現Runnable介面，重寫run()方法，作為構造器引數傳給Thread，呼叫start()方法啟動執行緒。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread r = new RunnableThread();
        new Thread(r).start();
        new Thread(r).start();
    }
}

class RunnableThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("新執行緒開始...");
    }
}

一般推薦使用實現Runnable的方式來建立新執行緒，它的優點有：

  1. Java中只有單繼承，介面則可以多實現。如果一個類已經有父類，它就不能再繼承Thread類了，繼承了Thread類就不能再繼承其他類，有侷限性。實現Runnable介面則沒有侷限性。
  2. 實現Runnable介面的類具有共享資料的特性，它可以同時作為多個執行緒的執行單位（target），此時多個執行緒操作的是同一個物件的run方法，這個物件所有變數在這幾個執行緒間是共享的。而繼承Thread的方式做不到，比如A extends Thread，每次啟動執行緒都是new A().start()，每次的A物件都不同。

3. 實現Callable介面

Callable區別於Runnable介面的點在於，Callable的方法有返回值，還能丟擲異常。

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

Callable的用法：

  • 配合FutureTask一起使用，FutureTask是RunnableFuture介面的典型實現，RunnableFuture介面從名字來看，它同時具有Runnable和Future介面的的能力。FutureTask提供2個構造器，同時支援Callable方式和Runnable方式的任務。FutureTask可作為任務傳給Thread的構造器。
  • 使用執行緒池時，呼叫ExecutorService#submit方法，返回一個Future物件。
  • Future物件的get()方法能返回非同步執行的結果。呼叫get()方法時，如果非同步任務已經完成，就直接返回結果。如果非同步任務還沒完成，那麼get()方法會阻塞，一直等待任務完成才返回結果，這一點也是FutureTask的缺點。

Callable和FutureTask一起使用的例子：

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立Callable介面實現類的物件
        CallableThread sumThread = new CallableThread();

        // 建立FutureTask物件
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(sumThread);

        // 將FutureTask的物件作為引數傳遞到Thread類的構造器中，建立Thread物件，並呼叫start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            // 獲取Callable中call方法的返回值
            Integer sum = futureTask.get();
            System.out.println("總和為" + sum);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("main執行緒結束");
    }
}

class CallableThread implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        Thread.sleep(2000); // 等待2s驗證futureTask.get()是否等待
        return sum;
    }
}

總和為5050
main執行緒結束

在JDK原始碼中可看到get()方法執行時，會判斷執行緒狀態如果是未完成，會進入一個無限迴圈，直到任務完成才返回執行結果。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING) // 如果未完成，則等待完成
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
    // ...
    for (; ; ) { // 無線迴圈，直到任務完成
        // ...
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
	// ...
    }
}

Future和FutureTask

使用Callable介面前，需要了解Future和FutureTask。

在Java併發程式設計中，Future介面代表著非同步計算結果。它定義的方法有：

  • get()：獲取結果，任務未完成前會一直等待，直到完成；
  • get(long timeout, TimeUnit unit)：獲取結果，但只等待指定的時間；新增超時時間可以讓呼叫執行緒及時釋放，不會死等；
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消當前任務；mayInterruptIfRunning的作用是，如果任務在執行中，這時取消任務，如果mayInterruptIfRunning為true就中斷，否則不中斷。
  • isCancelled()：任務在執行完成前被取消，返回true，否則返回false；
  • isDone()：判斷任務是否已完成。任務完成包括：正常完成、丟擲異常而完成、任務被取消。

FutureTask作為Future的實現類，也有侷限性。比如get()方法會阻塞呼叫執行緒；不能將多個非同步計算結果合併到一起等等，針對這些侷限，Java8提供了CompletableFuture。

4.執行緒池

下面我將圍繞這幾個問題，來討論一下執行緒池。

  1. 執行緒池是什麼？
  2. 為什麼使用執行緒池，或者說使用執行緒池的好處是什麼？
  3. 執行緒池怎麼使用？
  4. 執行緒池的原理是什麼，它怎麼做到重複利用執行緒的？

執行緒池是什麼

執行緒池（Thread Pool）是一種基於池化思想的管理執行緒的工具，它內部維護了多個執行緒，目的是能重複利用執行緒，控制併發量，降低執行緒建立及銷燬的資源消耗，提升程式穩定性。

為什麼使用執行緒池

使用執行緒池的好處：

  1. 降低資源消耗：重複利用已建立的執行緒，降低執行緒建立和銷燬造成的損耗。
  2. 提高響應速度：任務到達時，無需等待執行緒建立即可立即執行。
  3. 提高執行緒的可管理性：執行緒是稀缺資源，如果無限制建立，不僅會消耗系統資源，還會因為執行緒的不合理分佈導致資源排程失衡，降低系統的穩定性。使用執行緒池可以進行統一的分配、調優和監控。

執行緒池解決的核心問題就是資源管理問題，在併發場景下，系統不能夠確定在任意時刻，有多少任務需要執行，有多少資源需要投入。這種不確定性將帶來以下若干問題：

  1. 頻繁申請/銷燬資源和排程資源，將帶來額外的消耗，可能非常巨大。
  2. 對資源無限申請缺少抑制手段，易引發系統資源耗盡的風險。
  3. 系統無法合理管理內部的資源分佈，會降低系統的穩定性。

執行緒池這種基於池化思想的技術就是為了解決這類問題。

執行緒池怎麼使用

執行緒池的的核心實現類是ThreadPoolExecutor，呼叫execute或者submit方法即可開啟一個子任務。

public class ThreadPoolTest {

    private static ThreadPoolExecutor poolExecutor =
            new ThreadPoolExecutor(1, 1, 5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1));

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Runnable runnableTask = () -> System.out.println("runnable task end");
        poolExecutor.execute(runnableTask);

        Callable<String> callableTask = () -> "callable task end";
        Future<String> future = poolExecutor.submit(callableTask);
        System.out.println(future.get());
    }
}

ThreadPoolExecutor的核心構造器有7個引數，我們來分析一下每個引數的含義：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
	// 省略...
}
  • corePoolSize：執行緒池的核心執行緒數。執行緒池中的執行緒數小於corePoolSize時，直接建立新的執行緒來執行任務。
  • workQueue：阻塞佇列。當執行緒池中的執行緒數超過corePoolSize，新任務會被放到佇列中，等待執行。
  • maximumPoolSize：執行緒池的最大執行緒數量。
  • keepAliveTime：非核心執行緒空閒時的存活時間。非核心執行緒即workQueue滿了之後，再提交任務時建立的執行緒。非核心執行緒如果空閒了，超過keepAliveTime後會被回收。
  • unit：keepAliveTime的時間單位。
  • threadFactory：建立執行緒的工廠。預設的執行緒工廠會把提交的任務包裝成一個新的任務。
  • handler：拒絕策略。當執行緒池的workQueue已滿且執行緒數達到最大執行緒數時，新提交的任務執行對應的拒絕策略。

JDK也提供了一個快速建立執行緒池的工具類Executors，它提供了多種建立執行緒池的方法，但通常不建議使用Executors來建立執行緒池，因為它提供的很多工具方法，要麼使用的阻塞佇列沒有設定邊界，要麼是沒有設定最大執行緒的上限。任務一多容易發生OOM。實際開發應該根據業務自定義執行緒池。

執行緒池的原理

execute

執行緒池的核心執行機制在於execute方法，所有的任務排程都是透過execute方法完成的。

public void execute(Runnable command) {
    // ...
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // (1)
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // (2)
        int recheck = ctl.get();
        // 重新檢查狀態，如果是非執行狀態，接著執行佇列刪除操作，然後執行拒絕策略
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果是因為remove(command)刪除佇列元素失敗，再判斷池中執行緒數量
        // 如果池中執行緒數為0則新增一個任務為null的非核心執行緒
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false)) // (3)
        reject(command);
}

透過execute方法的3個if判斷，可以把它的邏輯梳理為3個部分：

  1. 第一個if：如果執行緒數量小於核心執行緒數，則建立一個執行緒來執行新提交的任務。
  2. 第二個if：如果執行緒數量大於等於核心執行緒數，則將任務新增到該阻塞佇列中。
  3. else if：執行緒池狀態不對，或者新增到佇列失敗即佇列滿了，則建立一個非核心執行緒執行新提交的任務。如果非核心執行緒建立失敗就執行拒絕策略。
addWorker

execute中的核心邏輯要看addWoker方法，它承擔了核心執行緒和非核心執行緒的建立。addWorker方法前半部分程式碼用一個雙重for迴圈確保執行緒池狀態正確，後半部分的邏輯是建立一個執行緒物件Worker，開啟新執行緒執行任務的過程。

Worker是對提交進來的執行緒的封裝，建立的worker會被新增到一個HashSet，執行緒池中的執行緒都維護在這個名為workers的HashSet中並被執行緒池所管理。

前面說到，Worker本身也是一個執行緒物件，它實現了Runnable介面，在addWorker中會啟動一個新的任務，所以我們要看它的run方法，而run方法的核心邏輯是runWorker方法。

final void runWorker(Worker w) {
    // ...
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // ...
            try {
                try {
                    task.run(); // 執行普通的run方法
                } finally {
                    task = null; // task置空
                }
            }
        }
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 回收空閒執行緒
    }
}

可以看到runWorker方法中有一個while迴圈，迴圈執行task的run方法，這裡的task就是提交到執行緒池的任務，它對當成了普通的物件，執行完task.run()，最後會把task設定為null。

再看迴圈的條件，已知task是有可能為空的，所以我們再看看(task = getTask()) != null這個條件，如果getTask() == null則跳出迴圈執行processWorkerExit方法，processWorkerExit方法的作用是回收空閒執行緒。

getTask

很多答案都在getTask()方法中。

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (; ; ) { // (1)
        // 校驗執行緒池狀態的程式碼，先省略...
        
        int wc = workerCountOf(c);

        // Are workers subject to culling?
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // (2)

        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 執行緒數減1
                return null; // 這裡時終端外層while迴圈的時機
            continue;
        }

        try {
            Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take(); // (3)
            if (r != null)
                return r; // 取到值了就在外層的while迴圈中執行任務
            timedOut = true; // 否則就標記為獲取佇列任務超時
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

結合(1)、（3）這兩個地方可以看出，getTask()方法是一個無限迴圈，不斷從阻塞佇列中取任務，取到了任務就返回，到外層runWorker方法中，執行這個任務的run方法，即執行緒池透過啟動一個Worker子執行緒來執行提交進來的任務，並且一個Worker執行緒會執行多個任務！

我們再看看getTask()何時返回null，因為返回null才可以看下一步的processWorkerExit方法。

getTask()返回null主要看timed && timedOut這個條件。變數值timed為true的條件是：允許核心執行緒超時或者執行緒數大於核心執行緒數。timedOut變數為true的條件是從workQueue為空了，取不到任務了，但是這個前提是timed == true，執行workQueue.poll的時候，因為workQueue.poll方法獲取任務最多等待keepAliveTime的時間，超過這個時間獲取不到就返回null，而workQueue.take()方法獲取不到任務會一直等待！

因此，在核心執行緒不會超時的情況下，如果池中的執行緒數小於核心執行緒數，這個getTask()會一直迴圈下去，這就是在這種情況下執行緒池不會自動關閉的原因！反之，在核心執行緒不會超時的情況下，如果池中的執行緒數超過核心執行緒數，才會對多餘的執行緒回收。如果allowCoreThreadTimeOut == true，即核心執行緒也能超時，當阻塞佇列為空，所有Worker執行緒都會被回收。

ThreadPoolExecutor的註釋說，當池中沒有剩餘執行緒，執行緒池會自動關閉。

A pool that is no longer referenced in a program AND has no remaining threads will be shutdown　automatically

但我也沒找到證據，沒看到哪裡顯式呼叫shutdown()，但確實會自動關閉。

processWorkerExit

getTask()獲取不到任務後，會執行processWorkerExit方法回收執行緒。在這裡，Worker執行緒集合隨機刪除一個執行緒物件，然後再隨機中斷一個workers中的執行緒。可見執行緒銷燬執行緒的方式時刪除執行緒引用，讓JVM自動回收。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // ...
    try {
        workers.remove(w);
    }
    // 呼叫interrupt()方法中斷執行緒，一次中斷一個
    tryTerminate();
    // ...
}
執行緒池原理總結

最後我們回到最初的問題，執行緒池的原理是什麼，執行緒池怎麼做到重複利用執行緒的？

執行緒池透過維護一組叫Worker的執行緒物件來處理任務。線上程數不超過核心執行緒數的情況下，一個任務對應一個Worker執行緒，超過核心執行緒數，新的任務會提交到阻塞佇列。一個Worker執行緒在啟動後，除了執行第一次任務之外，還會不斷向阻塞佇列中消費任務。如果佇列裡沒任務了，Worker執行緒會一直輪詢，不會退出；只有在池中執行緒數超過核心執行緒數時才退出輪詢，然後回收多餘的空閒執行緒。即一個Worker執行緒會處理多個任務，且Worker執行緒受執行緒池管理，不會隨意回收。

執行緒池的拒絕策略

拒絕策略的目的是保護執行緒池，避免無節制新增任務。JDK使用RejectedExecutionHandler介面代表拒絕策略，並提供了4個實現類。執行緒池的預設拒絕策略是AbortPolicy，丟棄任務並丟擲異常。實際開發中使用者可以透過實現這個介面去定製拒絕策略。

執行緒的狀態

  • New：新建立的執行緒，尚未執行；
  • Runnable：執行中的執行緒，正在執行run()方法的Java程式碼；
  • Blocked：執行中的執行緒，因為某些操作被阻塞而掛起；
  • Waiting：執行中的執行緒，因為某些操作在等待中；
  • Timed Waiting：執行中的執行緒，因為執行sleep()方法正在計時等待；
  • Terminated：執行緒已終止，因為run()方法執行完畢。

當執行緒啟動後，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting這幾個狀態之間切換，直到最後變成Terminated狀態，執行緒終止。

執行緒終止的原因有：

  • 執行緒正常終止：run()方法執行到return語句返回；
  • 執行緒意外終止：run()方法因為未捕獲的異常導致執行緒終止；
  • 對某個執行緒的Thread例項呼叫stop()方法強制終止（過時方法，不推薦使用）。

Thread類的常用方法

  • start()：啟動當前執行緒
  • currentThread()：返回當前程式碼執行的執行緒
  • yield()： 釋放當前CPU的執行權
  • join()：join()方法可以讓其他執行緒等待，直到自己執行完了，其他執行緒才繼續執行。
  • setDaemon(boolean on)：設定守護執行緒，也叫後臺執行緒。JVM退出時，不必關心守護執行緒是否已結束。
  • interrupt()：中斷執行緒。
  • sleep(long millis)：讓執行緒睡眠指定的毫秒數，在指定時間內，執行緒是阻塞狀態
  • isAlive()：判斷當前執行緒是否存活。
public class ThreadJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

start
hello
end

volatile

執行緒間共享變數需要使用volatile關鍵字標記，確保每個執行緒都能讀取到更新後的變數值。

為什麼要對執行緒間共享的變數用關鍵字volatile宣告？這涉及到Java的記憶體模型（JMM）。

類變數、例項變數是共享變數，方法區域性變數是私有變數。 共享變數的值儲存在主記憶體中，每個執行緒都有自己工作記憶體。

在Java虛擬機器中，共享變數的值儲存在主記憶體中，但是，當執行緒訪問變數時，它會先獲取一個副本，並儲存在自己的工作記憶體中。如果執行緒修改了變數的值，虛擬機器會在某個時刻把修改後的值回寫到主記憶體，但是，這個時間是不確定的！

這會導致如果一個執行緒更新了某個變數，另一個執行緒讀取的值可能還是更新前的。例如，主記憶體的變數a = true，執行緒1執行a = false時，它在此刻僅僅是把變數a的副本變成了false，主記憶體的變數a還是true，在JVM把修改後的a回寫到主記憶體之前，其他執行緒讀取到的a的值仍然是true，這就造成了多執行緒之間共享的變數不一致。

因此，volatile關鍵字的目的是告訴虛擬機器：

  • 每次訪問變數時，總是獲取主記憶體的最新值；
  • 每次修改變數後，立刻回寫到主記憶體。

volatile關鍵字解決的是可見性問題：當一個執行緒修改了某個共享變數的值，其他執行緒能夠立刻看到修改後的值。

但是volatile不能保證原子性，原子性問題需要根據實際情況做同步處理。

執行緒同步

什麼叫執行緒同步？對於多執行緒的程式來說，同步指的是在一定的時間內只允許某一個執行緒訪問某個資源。

在Java中，最常見的方法是用synchronized關鍵字實現同步效果。

synchronized

synchronized可以修飾例項方法、靜態方法、程式碼塊。

synchronized的底層是使用作業系統的互斥鎖（mutex lock）實現的，它的特點是保證記憶體可見性、操作原子性。

  • 記憶體可見性：可見性的原理還要回到Java記憶體模型（上面JMM的那張圖）。 synchronized上鎖時，會清空工作記憶體中變數的值，去主記憶體中獲取該變數的值；解鎖時，會把工作記憶體中變數的值同步回主記憶體中。
  • 操作原子性：持有同一個鎖的兩個同步塊只能序列地執行。

使用synchronized解決了多執行緒同步訪問共享變數的正確性問題。但是，它的缺點是帶來了效能下降。因為synchronized程式碼塊無法併發執行。此外，加鎖和解鎖需要消耗一定的時間，所以，synchronized會降低程式的執行效率。

不需要synchronized的操作

JVM規範定義了幾種原子操作：

  • 基本型別（long和double除外）賦值，例如：int n = 1；
  • 引用型別賦值，例如：List list = anotherList。

long和double是64位（8位元組）資料，在32位和64位作業系統上是不一樣的。JVM沒有明確規定64位賦值操作是不是一個原子操作，不過在x64平臺的JVM是把long和double的賦值作為原子操作實現的。

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