并发笔记（八）JUC原子类以及线程池（Executors）

一.原子类

JUC中提供了针对一个变量的修改的简单原子操作，提供了原子类，相对于我们自己采用锁的方式实现来说，原子类的性能更好。

1.1原子类的底层实现原理理论：volatile+（循环的CAS）

CAS大致流程：每次修改的时候都会拿着之前读到的内容当做期望值，和当前值进行比较，如果说两者相等，那么可以将修改后的值进行赋值。

分析：
首先通过volatile保证可见性，也就是每次修改之后对于其他线程是可见的。

但是我又想到之前学的内容，volatile虽然可以保证可见性，但是存在竞态条件，那么肯定这个CompareAndSet是原子操作的。那么这个CAS是怎么保证原子性的，随便找一个原子类，看内部的源码，都是调用Unsafe类的方法，其内部提供的方法又是native的，网上看了一些资料，需要翻到jdk的源码。

大致能看懂，LOCK_IF_MP(mp) cmpxchg… 也就是多处理器的时候需要使用CPU的lock指令，实现原子性的，所以说是无锁应该是针对java层来说的，但是底层由CPU直接lock指令的性能比java层来触发要好的多，单处理器（单线程的）由于没有同一时刻的多线程，通过可见性以及cmpxchg就可以保证线程的安全性。

1.2 原子化的基本数据类型

JUC提供的原子类，分为五个类别：原子化的基本数据类型、原子化的对象引用类型、原子化数组、原子化对象属性更新器和原子化的累加器。图片来源

原子化的基本数据类型：AtomicBoolean、AtomicInteger 和 AtomicLong

getAndIncrement() //原子化i++
getAndDecrement() //原子化的i--
incrementAndGet() //原子化的++i
decrementAndGet() //原子化的--i
//当前值+=delta，返回+=前的值
getAndAdd(delta)
//当前值+=delta，返回+=后的值
addAndGet(delta)
//CAS操作，返回是否成功
compareAndSet(expect, update)
//以下四个方法
//新值可以通过传入func函数来计算
getAndUpdate(func)
updateAndGet(func)
getAndAccumulate(x,func)
accumulateAndGet(x,func)

原子化的对象引用类型：AtomicReference、AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference

相对于上面的原子化的基本数据类型引用数据类型存在ABA的问题，解决ABA的问题方式通过添加自增的版本号，那么A->B->A的过程通过版本号进行记录。

AtomicStampedReference方法：


boolean compareAndSet(V expectedReference,//期望值V newReference,//更新值int expectedStamp,//期望的版本号int newStamp) // 新的版本号

AtomicMarkableReference 的实现机制则更简单，将版本号简化成了一个 Boolean 值，方法签名如下：


boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference,boolean expectedMark,boolean newMark)

原子化数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray

原子化地更新数组里面的每一个元素。这些类提供的方法和原子化的基本数据类型的区别仅仅是：每个方法多了一个数组的索引参数

原子化对象属性更新器：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater 和 AtomicReferenceFieldUpdater

创建更新器的方法：


public static <U> AtomicXXXFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass,String fieldName)

需要注意的是，对象属性必须是 volatile 类型的，只有这样才能保证可见性，如果对象属性不是 volatile 类型的，newUpdater() 方法会抛出 IllegalArgumentException 这个运行时异常。

原子化的累加器：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator 和 LongAdder

累加器仅支持累加的操作，相对于原子化的基本数据类型，累加的操作速度更快。

二.线程池

2.1线程池的基础工作原理

线程对象在JAVA中是一个重量级对象，因为java中的线程不仅仅是在堆上申请一个空间，需要调用操作系统的API，然后操作系统还需要为线程分配一系列的资源，所以在开发的过程中我们要避免频繁的创建线程和销毁线程，合理的使用资源，所以采用池化技术。

但是线程池的池化技术，和我们不同的池化技术不一样，普通的池化模型对外提供acquire，release方法，但是如果线程池按照这个模型去封装的话，对于使用方很不友好，如果达到最大线程数怎么办，等待的任务如何存放等等。最好是在进一步的封装，把线程的的获取和释放也封装进去，对外暴露统一的入口（放任务）。类似于生产者-消费者模型，调用方为生产者，线程池为消费者。

简化版的线程池实现代码：便于理解

代码来源


//简化的线程池，仅用来说明工作原理
class MyThreadPool{//利用阻塞队列实现生产者-消费者模式BlockingQueue<Runnable> workQueue;//保存内部工作线程List<WorkerThread> threads = new ArrayList<>();// 构造方法MyThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){this.workQueue = workQueue;// 创建工作线程for(int idx=0; idx<poolSize; idx++){WorkerThread work = new WorkerThread();work.start();threads.add(work);}}// 提交任务void execute(Runnable command){workQueue.put(command);}// 工作线程负责消费任务，并执行任务class WorkerThread extends Thread{public void run() {//循环取任务并执行while(true){ ①Runnable task = workQueue.take();task.run();} }}
}/** 下面是使用示例 **/
// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10, workQueue);
// 提交任务
pool.execute(()->{System.out.println("hello");
});

2.2 ThreadPoolExecutor

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

corePoolSize：表示线程池保有的最小线程数。有些项目很闲，但是也不能把人都撤了，至少要留 corePoolSize 个人坚守阵地。
maximumPoolSize：表示线程池创建的最大线程数。当项目很忙时，就需要加人，但是也不能无限制地加，最多就加到 maximumPoolSize 个人。当项目闲下来时，就要撤人了，最多能撤到 corePoolSize 个人。
keepAliveTime & unit：上面提到项目根据忙闲来增减人员，那在编程世界里，如何定义忙和闲呢？很简单，一个线程如果在一段时间内，都没有执行任务，说明很闲，keepAliveTime 和 unit 就是用来定义这个“一段时间”的参数。也就是说，如果一个线程空闲了keepAliveTime & unit这么久，而且线程池的线程数大于 corePoolSize ，那么这个空闲的线程就要被回收了。
workQueue：工作队列，和上面示例代码的工作队列同义。
threadFactory：通过这个参数你可以自定义如何创建线程，例如你可以给线程指定一个有意义的名字。
handler：通过这个参数你可以自定义任务的拒绝策略。如果线程池中所有的线程都在忙碌，并且工作队列也满了（前提是工作队列是有界队列），那么此时提交任务，线程池就会拒绝接收。至于拒绝的策略，你可以通过 handler 这个参数来指定。

ThreadPoolExecutor 已经提供了以下 4 种策略。

CallerRunsPolicy：提交任务的线程自己去执行该任务。
AbortPolicy：默认的拒绝策略，会 throws RejectedExecutionException。
DiscardPolicy：直接丢弃任务，没有任何异常抛出。
DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，其实就是把最早进入工作队列的任务丢弃，然后把新任务加入到工作队列。

一般都需要我们手动的设置threadFactory，定义业务线程名，方便定位问题，和实现handler拒绝策略（需要保存任务，可以存储到redis或者是消息中间件中）

之前的笔记中记录了合理线程数设置的公式：

     核数  X （1+io耗时/cpu耗时）

2.3JDK中提供的直接使用的四种线程池

1.SingleThreadPool:只有一个线程的线程池
2.FixedThreadPool:固定数量的线程池
3.CachePool:有弹性的线程池，来一个任务启动一个，只要没有闲的就会启动新的
4.ScheduledPool：定时任务来执行的线程池

四个线程池底层就是：ThreadPoolExcutor，只不过是参数不一样

我们在使用线程池还是根据业务自定义。