Day 11：多线程（9）

生产者消费者模型

1. 阻塞队列实现

package thread;class MyBlockingQueue {private String[] elems = null;//[head, tail)//head位置指向的是第一个元素，tail指向的是最后一个元素的下一个元素private volatile int head = 0;private volatile int tail = 0;private volatile int size = 0;public MyBlockingQueue(int capacity){elems = new String[capacity];}void put(String elem) throws InterruptedException {synchronized (this) {while (size >= elems.length){//队列满了，进行队列阻塞this.wait();}//把新的元素放到tail所在的位置上elems[tail] = elem;tail++;if (tail >= elems.length) {//到达末尾，就回到开头tail = 0;}//更新size的值size++;//唤醒下面 take 阻塞的waitthis.notify();}}String take() throws InterruptedException {synchronized (this) {while (size == 0) {//队列空了，进行阻塞this.wait();}//取出 head 指向的元素String result = elems[head];head++;if (head >= elems.length) {head = 0;}size--;//take 成功一个元素，就唤醒上面put中的wait操作this.notify();return result;}}
}public class Demo31 {public static void main(String[] args) {MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue(1000);Thread t1 = new Thread(() -> {try {int count = 1;while (true) {queue.put(count + "");System.out.println("生产" + count);count++;}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});Thread t2 = new Thread(() -> {try {while (true){String result = queue.take();System.out.println("消费" + result);Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t1.start();t2.start();}
}

• wait不仅仅会被notify/notifyAll唤醒，也可能被其他的操作唤醒，比如interrupt
• 上述代码加锁后，采用while本质上是当wait被唤醒之后，再次确认条件是否满足，是否能往下执行
• 如果采用if进行条件判断，而不是while，那么一旦wait被唤醒了，此时逻辑就会往下走，不管条件判断是否成立，当前这个代码，理论上不会出现这个情况，即便是被interrupt唤醒，也是方法直接结束了
• 但是按照文档的建议，使用while的方法，是更稳妥的做法，被唤醒之后，再次确认一下，确认一下条件是否成立
• 最好的做法就是只要使用wait的时候，都搭配while判定条件的方式

线程池

并发编程，使用多线程就可以了，线程比进程更加轻量，在频繁创建和销毁的时候，更有优势，但是随着时代的发展，对于“频繁”有个新的定义，现有的要求下，频繁创建销毁线程，开销也变得越来越明显了

如何进行优化

• 线程池
• 协程（纤程）

后续高版本Java中引入的虚拟线程，本质上就是协程；Go语言的主打卖点，就是使用协程处理并发编程

为什么引入线程池/协程之后能够提升效率，最关键的要点是：

• 直接创建/销毁线程，是需要用户态+内核态配合完成的工作，直接调用api创建线程和销毁线程，这个过程需要内核完成，内核完成工作很多时候是不太可控的
• 线程池/协程，创建和销毁，只通过用户态即可，不需要内核态的配合，使用线程池，提前把线程都创建好，放到用户态代码中写的数据结构里面，后面使用的时候，随时从池子里去取，用完了放回池子里去，这个过程完全是用户态代码，不需要和内核进行交互

简单来讲，就是一次性从系统申请出10个线程，可以用10个变量表示，也可以用一个长度为10的元素的数组来表示，也可以用hash等表示

协程本质上也是纯用户态操作，规避内核操作，不是在内核里把线程提前创建好，而是用一个内核的线程来表示多个协程（纯用户态，进行协程之间的调度）

常量池、数据库连接池、线程池、进程池、内存池的思想都是一样的

1. 标准库线程池（ThreadPoolExecutor）

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler)

1.1 corePoolSize & maximumPoolSize

• corePoolSize：核心线程数
• maximumPoolSize：最大线程数

标准库的线程池把线程分为两类

（1）核心线程：corePoolSize

（2）非核心线程：maximumPoolSize = 核心线程数 + 非核心线程数

动态扩展

• 一个线程池，刚被创建出来的时候，里面就包含核心线程数这么多的线程
• 假设此时线程池里包含4个线程，线程池会提供一个submit方法，往里面添加任务，每个任务都是一个Runnable对象
• 如果当前添加的任务比较少，4个线程就足以能够处理，就只有4个线程在工作了
• 如果添加的任务比较多，4个线程处理不过来，有很多的任务在排队等待执行，这个时候线程就会自动创建出新的线程，来支撑更多的任务
• 创建出来的线程总数，不能超过最大线程数
• 过了一段时间之后，任务没那么多了，线程清闲了，部分线程就会被释放掉（回收了），回收只是把非核心线程回收掉，至少保证线程池中线程数目不少于核心线程数

既可以保证任务多的时候的效率，也能保证任务少的时候，系统开销小

实际开发中，线程数应该设置成多少合适

不仅和电脑配置有关，更重要的是，和程序的实际特点有关系

极端一点，可以将程序分成两个大类

• CPU密集型程序：代码完成的逻辑，都是要通过CPU来完成的，此时线程数目，不应该超过CPU逻辑核心数，例如代码逻辑都是在进行算数运算、条件判定、循环判定和函数调用等
• IO密集型程序：代码大部分时间在等待IO，等待IO是不消耗CPU的，不参与调度，不仅仅是标准输入输出，也可能是sleep、操作硬盘、操作网络等，此时瓶颈不在CPU上，每个线程消耗CPU只有一点点，更多的是考虑其他方面，比如网络程序，要考虑网卡带宽的瓶颈

上述两类都太理想化了，实际开发中，一个程序中既包含CPU操作，也包含IO操作，介于CPU密集和IO密集两者之间

最终的答案是：根据实验的方式，找到一个合适的值来设置线程数，对程序进行性能测试，测试过程中，设定不同的线程池数值，最终根据实际程序的响应速度和系统开销综合权衡，找到一个你觉得最合适的值

1.2 keepAliveTime & unit

• keepAliveTime：非核心线程，允许空闲的最大时间，在线程池不忙的时候回收掉
• unit：上述时间的单位，比如秒、分钟、小时、毫秒等

例如，设定保留时间3s，3s之内，非核心线程没有任务执行了，此时就可以回收了

1.3 BlockingQueue workQueue

线程池的任务队列，线程池会提供submit方法，让其他线程把任务提交给线程池

线程池内部需要有一个队列这样的数据结构，把要执行的任务保存起来，后续线程池内部的工作线程，就会消费这个队列，从而来完成具体的任务执行

1.4 ThreadFactory threadFactory

标准库中提供的用来创建线程的工厂类，这个线程工厂主要是为了批量的给要创建的线程设置一些属性，在工厂方法中，把线程的属性提前初始化好了

工厂模式也是一种设计模式，主要解决的是：基于构造方法创建对象存在的问题

例子：创建一个类来表示一个点

class Point {public Point(double x, double y) {...} //笛卡尔坐标系public Point(double r, double a) {...} //极坐标系
}

上述代码会出现编译报错，这两个版本的构造方法不能构成重载，此时无法通过构造方法来表示不同的构造点的方式了，本质上因为构造方法名字是固定的，无法搞成不同的方法名字，要想提供不同的版本，就只能想办法在参数上做出区分

工厂模式的核心思路是：不再使用构造方法创建对象，而是给构造方法包装一层

package thread;class Point {}class PointBuilder {public static Point makePointByXY(double x, double y) {Point p = new Point();p.setX(x);p.setY(y);return p;}public static Point makePointByRA(double r, double a) {Point p = new Point();p.setR(r);p.setA(a);return p;}
}public class Demo33 {public static void main(String[] args) {Point p = PointBuilder.makePointByXY(10, 20);}
}

1.5 RejectedExecutionHandler handler

面试官问：线程池的参数都是什么意思，本质是在考拒绝策略

拒绝策略：是一个枚举类型，采用哪种拒绝策略

例如：如果当前任务队列满了，仍然要继续添加任务怎么办，下列四种拒绝策略

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：直接抛出异常
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：谁负责添加任务，谁负责执行，线程池本身不管了
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃掉最老的任务，让新的任务去队列中排队
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丢弃最新的任务，按照原有的节奏来执行