一、線程池

1.1、什么是線程池

? ? ? ?線程池是一種多線程的處理方式，利用已有線程對象繼續服務新的任務（按照一定的執行策略），而不是頻繁地創建銷毀線程對象，由此提高服務的吞吐能力，減少CPU的閑置時間。具體組成部分包括：
（1）、線程池管理器（ThreadPool）用于創建和管理線程池，包括創建線程池、銷毀線程池，添加新任務。
（2）、工作線程（Worker）線程池中的線程，閑置的時候處于等待狀態，可以循環回收利用。
（3）、任務接口（Task）每個任務必須實現的接口類，為工作線程提供調用，主要規定了任務的入口、任務完成的收尾工作、任務的狀態。
（4）、等待隊列（Queue）存放等待處理的任務，提供緩沖機制。

1.2、線程池的種類

（1）、FixedThreadPool：固定數量的線程池，線程池中的線程數量是固定的，不會改變。
（2）、SingleThreadExecutor：單一線程池，線程池中只有一個線程。
（3）、CachedThreadPool：緩存線程池，線程池中的線程數量不固定，會根據需求的大小進行改變。
（4）、ScheduledThreadPool：計劃任務調度的線程池，用于執行計劃任務，比如每隔5分鐘怎么樣。

ThreadPoolExecutor構造函數中參數的含義：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler) {if (corePoolSize < 0 ||maximumPoolSize <= 0 ||maximumPoolSize < corePoolSize ||keepAliveTime < 0)throw new IllegalArgumentException();if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)throw new NullPointerException();this.corePoolSize = corePoolSize;this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;this.workQueue = workQueue;this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);this.threadFactory = threadFactory;this.handler = handler;}

（1）、corePoolSize：線程池中核心線程數的數目
（2）、maximumPoolSize：線程池中最多能容納多少個線程
（3）、keepAliveTime：當現在線程數目大于corePoolSize時，超過keepAliveTime時間后，多出corePoolSize的那些線程將被終結。
（4）、unit：keepAliveTime的單位
（5）、workQueue：當任務數量很大，線程池中線程無法滿足時，提交的任務會被放到阻塞隊列中，線程空閑下來則會不斷從阻塞隊列中取數據。
（6）、threadFactory：執行程序創建新線程時使用的工廠。
（7）、handler：由于超出線程范圍和隊列容量而使執行被阻塞時所使用的處理程序。

RejectedExecutionHandler拒絕的4種策略：
（1）、AbortPolicy：如果不能接受任務了，則拋出異常。
（2）、CallerRunsPolicy：如果不能接受任務了，則讓調用的線程去完成。
（3）、DiscardOldestPolicy：如果不能接受任務了，則丟棄最老的一個任務，由一個隊列來維護。
（4）、DiscardPolicy：如果不能接受任務了，則丟棄任務。

1.3、攜帶結果的任務Callable和Future/FutureTask

（1）、Callable：解決Runnable接口不能返回一個值或受檢查的異常，可以采用Callable接口實現一個任務。
（2）、Future：表示異步計算的結果，可以對于具體的Runnable或者Callable任務進行查詢是否完成，查詢是否取消，獲取執行結果，取消任務等操作。
（3）、FutureTask：是一個RunnableFuture<V>，而RunnableFuture實現了Runnbale又實現了Futrue<V>這兩個接口。

1.4、Fork/Join框架

???????Fork/Join框架是Java7提供了的一個用于并行執行任務的框架， 是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后得到大任務結果的框架。
? ? ? ?Fork/Join類似MapReduce算法，兩者區別是：Fork/Join 只有在必要時如任務非常大的情況下才分割成一個個小任務，而 MapReduce總是在開始執行第一步進行分割。看來，Fork/Join更適合一個JVM內線程級別，而MapReduce適合分布式系統。

（1）、工作竊取算法

? ? ? ?工作竊取（work-stealing）算法是指某個線程從其他隊列里竊取任務來執行。工作竊取的運行流程圖如下：

? ? ? ?那么為什么需要使用工作竊取算法呢？
? ? ? ?假如我們需要做一個比較大的任務，我們可以把這個任務分割為若干互不依賴的子任務，為了減少線程間的競爭，于是把這些子任務分別放到不同的隊列里，并為每個隊列創建一個單獨的線程來執行隊列里的任務，線程和隊列一一對應，比如A線程負責處理A隊列里的任務。但是有的線程會先把自己隊列里的任務干完，而其他線程對應的隊列里還有任務等待處理。干完活的線程與其等著，不如去幫其他線程干活，于是它就去其他線程的隊列里竊取一個任務來執行。而在這時它們會訪問同一個隊列，所以為了減少竊取任務線程和被竊取任務線程之間的競爭，通常會使用雙端隊列，被竊取任務線程永遠從雙端隊列的頭部拿任務執行，而竊取任務的線程永遠從雙端隊列的尾部拿任務執行。
? ? ? ?工作竊取算法的優點是充分利用線程進行并行計算，并減少了線程間的競爭，其缺點是在某些情況下還是存在競爭，比如雙端隊列里只有一個任務時。并且消耗了更多的系統資源，比如創建多個線程和多個雙端隊列。

（2）、如何設計一個Fork/Join框架？

? ? ? ?第一步分割任務。首先我們需要有一個fork類來把大任務分割成子任務，有可能子任務還是很大，所以還需要不停的分割，直到分割出的子任務足夠小。
? ? ? ?第二步執行任務并合并結果。分割的子任務分別放在雙端隊列里，然后幾個啟動線程分別從雙端隊列里獲取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個隊列里，啟動一個線程從隊列里拿數據，然后合并這些數據。

? ? ? ?Fork/Join使用兩個類來完成以上兩件事情：

? ? ? ?1）、ForkJoinTask：我們要使用ForkJoin框架，必須首先創建一個ForkJoin任務。它提供在任務中執行fork()和join()操作的機制，通常情況下我們不需要直接繼承ForkJoinTask類，而只需要繼承它的子類，Fork/Join框架提供了以下兩個子類：
? ? ? ?RecursiveAction：用于沒有返回結果的任務。
? ? ? ?RecursiveTask ：用于有返回結果的任務。
? ? ? ?2）、ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行，任務分割出的子任務會添加到當前工作線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工作線程的隊列里暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作線程的隊列的尾部獲取一個任務。

（2）、Fork/Join框架的實現原理

? ? ? ?ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責存放程序提交給ForkJoinPool的任務，而ForkJoinWorkerThread數組負責執行這些任務。
? ? ? ?ForkJoinTask的fork方法實現原理：當我們調用ForkJoinTask的fork方法時，程序會調用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法異步的執行這個任務，然后立即返回結果。pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask 數組queue里。然后再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或創建一個工作線程來執行任務。
? ? ? ?ForkJoinTask的join方法實現原理：Join方法的主要作用是阻塞當前線程并等待獲取結果。

（4）、Fork/Join框架的異常處理

? ? ? ?ForkJoinTask在執行的時候可能會拋出異常，但是我們沒辦法在主線程里直接捕獲異常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經拋出異常或已經被取消了，并且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。

二、JDK并發包

2.1、同步控制工具類

（1）、Semaphore

???????計數信號量，常用于限制可以訪問某些資源（物理或邏輯的）線程數目。是一個共享鎖，允許N個線程同時進入臨界區, 但是超出許可范圍的只能等待；如果N = 1, 則類似于lock

（2）、ReentrantLock

? ? ? ?簡而言之, 就是自由度更高的synchronized, 主要具備以下優點
? ? ? ?可重入：單線程可以重復進入，但要重復退出
? ? ? ?可中斷：lock.lockInterruptibly()
? ? ? ?可限時：超時不能獲得鎖，就返回false，不會永久等待構成死鎖
? ? ? ?公平鎖：先來先得，public ReentrantLock(boolean fair)，默認鎖不公平的, 根據線程優先級競爭

（3）、Condition

? ? ? ?類似于 Object.wait()和Object.notify(), 需要與ReentrantLock結合使用.

（4）、ReadWriteLock

? ? ? ?讀寫分離鎖, 可以大幅提升系統并行度.
? ? ? ?讀-讀不互斥：讀讀之間不阻塞。
? ? ? ?讀-寫互斥：讀阻塞寫，寫也會阻塞讀。
? ? ? ?寫-寫互斥：寫寫阻塞。

（5）、CountDownLatch倒數計時器

? ? ? ?一種典型的場景就是火箭發射。在火箭發射前，為了保證萬無一失，往往還要進行各項設備、儀器的檢查。
只有等所有檢查完畢后，引擎才能點火。這種場景就非常適合使用CountDownLatch。它可以使得點火線程,?
等待所有檢查線程全部完工后，再執行

（6）、CyclicBarrier循環柵欄

? ? ? ?Cyclic意為循環，也就是說這個計數器可以反復使用。比如，假設我們將計數器設置為10。那么湊齊
第一批10個線程后，計數器就會歸零，然后接著湊齊下一批10個線程

（7）、LockSupport

? ? ? ?一個線程阻塞工具, 可以在任意位置讓線程阻塞。與wait/notify比較，如果unpark發生在park之前，?并不會導致線程凍結，也不需要獲取鎖
? ? ? ?LockSupport比Object的wait/notify有兩大優勢：
? ? ? ?1）、LockSupport不需要在同步代碼塊里 。所以線程間也不需要維護一個共享的同步對象了，實現了線程間的解耦
? ? ? ?2）、unpark函數可以先于park調用，所以不需要擔心線程間的執行的先后順序

2.2、并發容器

（1）、Collections.synchronizedMap

? ? ? ?其本質是在讀寫map操作上都加了鎖，因此不推薦在高并發場景使用

（2）、ConcurrentHashMap
? ? ? ?內部使用分區Segment來表示不同的部分, 每個分區其實就是一個小的hashtable，各自有自己的鎖，只要多個修改發生在不同的分區，他們就可以并發的進行。把一個整體分成了16個Segment，最高支持16個線程并發修改

（3）、BlockingQueue

? ? ? ?阻塞隊列, 主要用于多線程之間共享數據；當一個線程讀取數據時，如果隊列是空的，則當前線程會進入等待狀態；如果隊列滿了，當一個線程嘗試寫入數據時，同樣會進入等待狀態；適用于生產消費者模型，因為BlockingQueue在put、take等操作有鎖，因此非高性能容器；如果需要高并發支持的隊列，則可以使用ConcurrentLinkedQueue，他內部運用了大量無鎖操作

（4）、CopyOnWriteArrayList

? ? ? ?CopyOnWriteArrayList通過在新增元素時，復制一份新的數組出來，并在其中寫入數據，之后將原數組引用指向到新數組，其Add操作是在內部通過ReentrantLock進行鎖保護，防止多線程場景復制多份數組，而Read操作內部無鎖，直接返回數組引用，并發下效率高，因此適用于讀多寫少的場景

參考文章：

（1）、Java多線程并發編程一覽筆錄

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程并发编程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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