线程、多线程与线程池

线程：进程中负责程序执行的执行单元。一个进程中至少有一个线程。

多线程：解决多任务同时执行的需求，合理使用CPU资源。多线程的运行是根据CPU切换完成，如何切换由CPU决定，因此多线程运行具有不确定性。

线程池：基本思想还是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多(未死亡)的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

1）线程和进程有什么区别？

一个进程是一个独立(self contained)的运行环境，它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。线程是进程的子集，一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。不同的进程使用不同的内存空间，而所有的线程共享一片相同的内存空间。别把它和栈内存搞混，每个线程都拥有单独的栈内存用来存储本地数据。

2）如何在Java中实现线程？

创建线程有两种方式：
一、继承 Thread 类，扩展线程。
二、实现 Runnable 接口。

3）Thread 类中的 start() 和 run() 方法有什么区别？

调用 start() 方法才会启动新线程；如果直接调用 Thread 的 run() 方法，它的行为就会和普通的方法一样；为了在新的线程中执行我们的代码，必须使用 Thread.start() 方法。

1）用 Runnable 还是 Thread ？

我们都知道可以通过继承 Thread 类或者调用 Runnable 接口来实现线程，问题是，创建线程哪种方式更好呢？什么情况下使用它？这个问题很容易回答，如果你知道Java不支持类的多重继承，但允许你调用多个接口。所以如果你要继承其他类，当然是调用Runnable接口更好了。

2）Runnable 和 Callable 有什么不同？

Runnable 和 Callable 都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable 从 JDK1.0 开始就有了，Callable 是在 JDK1.5 增加的。它们的主要区别是 Callable 的 call() 方法可以返回值和抛出异常，而 Runnable 的 run() 方法没有这些功能。Callable 可以返回装载有计算结果的 Future 对象。

扩展

先看一下 Runnable 和 Callable 的源码

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

可以得出：

1）Callable 接口下的方法是 call()，Runnable 接口的方法是 run()。
2）Callable 的任务执行后可返回值，而 Runnable 的任务是不能返回值的。
3）call() 方法可以抛出异常，run()方法不可以的。
4）运行 Callable 任务可以拿到一个 Future 对象，表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。通过 Future 对象可以了解任务执行情况，可取消任务的执行，还可获取执行结果。

但是，但是，凡事都有但是嘛...

单独使用 Callable，无法在新线程中(new Thread(Runnable r))使用，Thread 类只支持 Runnable。不过 Callable 可以使用 ExecutorService (又抛出一个概念，这个概念将在下面的线程池中说明)。

上面又提到了 Future，看一下 Future 接口：

public interface Future<V> {boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);boolean isCancelled();boolean isDone();V get() throws InterruptedException, ExecutionException;V get(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future 定义了5个方法：

1）boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消，或者由于某些其他原因而无法取消，则此尝试将失败。当调用 cancel() 时，如果调用成功，而此任务尚未启动，则此任务将永不运行。如果任务已经启动，则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。此方法返回后，对 isDone() 的后续调用将始终返回 true。如果此方法返回 true，则对 isCancelled() 的后续调用将始终返回 true。
2）boolean isCancelled()：如果在任务正常完成前将其取消，则返回 true。
3）boolean isDone()：如果任务已完成，则返回 true。可能由于正常终止、异常或取消而完成，在所有这些情况中，此方法都将返回 true。
4）V get()throws InterruptedException,ExecutionException：如有必要，等待计算完成，然后获取其结果。
5）V get(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException：如有必要，最多等待为使计算完成所给定的时间之后，获取其结果（如果结果可用）。

看来 Future 接口也不能用在线程中，那怎么用，谁实现了 Future 接口呢？答：FutureTask。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {...
}public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {void run();
}

FutureTask 实现了 Runnable 和 Future，所以兼顾两者优点，既可以在 Thread 中使用，又可以在 ExecutorService 中使用。

看完上面啰哩啰嗦的介绍后，下面我们具体看一下具体使用的示例：

Callable<String> callable = new Callable<String>() {@Overridepublic String call() throws Exception {return "个人博客：sunfusheng.com";}
};FutureTask<String> task = new FutureTask<String>(callable);Thread t = new Thread(task);
t.start(); // 启动线程
task.cancel(true); // 取消线程

使用 FutureTask 的好处是 FutureTask 是为了弥补 Thread 的不足而设计的，它可以让程序员准确地知道线程什么时候执行完成并获得到线程执行完成后返回的结果。FutureTask 是一种可以取消的异步的计算任务，它的计算是通过 Callable 实现的，它等价于可以携带结果的 Runnable，并且有三个状态：等待、运行和完成。完成包括所有计算以任意的方式结束，包括正常结束、取消和异常。

● 多线程

使用多线程的优缺点：
优点：
1）适当的提高程序的执行效率（多个线程同时执行）。
2）适当的提高了资源利用率（CPU、内存等）。
缺点：
1）占用一定的内存空间。
2）线程越多CPU的调度开销越大。
3）程序的复杂度会上升

线程调度策略

(1) 抢占式调度策略

Java运行时系统的线程调度算法是抢占式的。Java运行时系统支持一种简单的固定优先级的调度算法。如果一个优先级比其他任何处于可运行状态的线程都高的线程进入就绪状态，那么运行时系统就会选择该线程运行。新的优先级较高的线程抢占了其他线程。但是Java运行时系统并不抢占同优先级的线程。换句话说，Java运行时系统不是分时的。然而，基于Java Thread类的实现系统可能是支持分时的，因此编写代码时不要依赖分时。当系统中的处于就绪状态的线程都具有相同优先级时，线程调度程序采用一种简单的、非抢占式的轮转的调度顺序。

(2) 时间片轮转调度策略

有些系统的线程调度采用时间片轮转调度策略。这种调度策略是从所有处于就绪状态的线程中选择优先级最高的线程分配一定的CPU时间运行。该时间过后再选择其他线程运行。只有当线程运行结束、放弃(yield)CPU或由于某种原因进入阻塞状态，低优先级的线程才有机会执行。如果有两个优先级相同的线程都在等待CPU，则调度程序以轮转的方式选择运行的线程。

线程池的优点

1）避免线程的创建和销毁带来的性能开销。
2）避免大量的线程间因互相抢占系统资源导致的阻塞现象。
3｝能够对线程进行简单的管理并提供定时执行、间隔执行等功能。

再撸一撸概念

Java里面线程池的顶级接口是 Executor，不过真正的线程池接口是 ExecutorService， ExecutorService 的默认实现是 ThreadPoolExecutor；普通类 Executors 里面调用的就是 ThreadPoolExecutor。

照例看一下各个接口的源码：

public interface Executor {void execute(Runnable command);
}public interface ExecutorService extends Executor {void shutdown();List<Runnable> shutdownNow();boolean isShutdown();boolean isTerminated();<T> Future<T> submit(Callable<T> task);<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);Future<?> submit(Runnable task);...
}public class Executors {public static ExecutorService newCachedThreadPool() {return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());}...
}

下面我创建的一个线程池：

ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();

Executors 提供四种线程池：

1）newCachedThreadPool 是一个可根据需要创建新线程的线程池，但是在以前构造的线程可用时将重用它们。对于执行很多短期异步任务的程序而言，这些线程池通常可提高程序性能。调用 execute() 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。因此，长时间保持空闲的线程池不会使用任何资源。注意，可以使用 ThreadPoolExecutor 构造方法创建具有类似属性但细节不同（例如超时参数）的线程池。
2）newSingleThreadExecutor 创建是一个单线程池，也就是该线程池只有一个线程在工作，所有的任务是串行执行的，如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它，此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。
3）newFixedThreadPool 创建固定大小的线程池，每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小，线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，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线程。
4）newScheduledThreadPool 创建一个大小无限的线程池，此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

通过 ThreadPoolExecutor 的构造函数，撸一撸线程池相关参数的概念：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory) {this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, defaultHandler);
}

1）corePoolSize：线程池的核心线程数，一般情况下不管有没有任务都会一直在线程池中一直存活，只有在 ThreadPoolExecutor 中的方法 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 设置为 true 时，闲置的核心线程会存在超时机制，如果在指定时间没有新任务来时，核心线程也会被终止，而这个时间间隔由第3个属性 keepAliveTime 指定。
2）maximumPoolSize：线程池所能容纳的最大线程数，当活动的线程数达到这个值后，后续的新任务将会被阻塞。
3）keepAliveTime：控制线程闲置时的超时时长，超过则终止该线程。一般情况下用于非核心线程，只有在 ThreadPoolExecutor 中的方法 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 设置为 true时，也作用于核心线程。
4）unit：用于指定 keepAliveTime 参数的时间单位，TimeUnit 是个 enum 枚举类型，常用的有：TimeUnit.HOURS(小时)、TimeUnit.MINUTES(分钟)、TimeUnit.SECONDS(秒) 和 TimeUnit.MILLISECONDS(毫秒)等。
5）workQueue：线程池的任务队列，通过线程池的 execute(Runnable command) 方法会将任务 Runnable 存储在队列中。
6）threadFactory：线程工厂，它是一个接口，用来为线程池创建新线程的。

线程池的关闭

ThreadPoolExecutor 提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是 shutdown() 和 shutdownNow()。

shutdown()：不会立即的终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务。
shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。

面试题

1）什么是 Executor 框架？

Executor框架在Java 5中被引入，Executor 框架是一个根据一组执行策略调用、调度、执行和控制的异步任务的框架。

无限制的创建线程会引起应用程序内存溢出，所以创建一个线程池是个更好的的解决方案，因为可以限制线程的数量并且可以回收再利用这些线程。利用 Executor 框架可以非常方便的创建一个线程池。

2）Executors 类是什么？

Executors为Executor、ExecutorService、ScheduledExecutorService、ThreadFactory 和 Callable 类提供了一些工具方法。Executors 可以用于方便的创建线程池。

文／孙福生微博（简书作者）
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