多线程三（线程组和线程池）

线程组和线程池

一. 线程组

1. 线程组介绍及使用

Java使用ThreadGroup来表示线程组，它可以对一批线程进行分类管理，Java允许直接对线程组进行控制。对线程组的控制相当于控制这批线程。

在默认情况下，子线程和创建它的父线程同属于一个线程组。

一旦线程假如某个线程组之后，该线程将一直属于该线程组，知道该线程死亡，线程运行途中不能改变它所属的线程组。

Thread提供了不同构造器设置新创建的线程属于哪个线程组。提供getThreadGroup()方法返回该线程所属的线程组对象。

ThreadGroup类提供了如下两个构造器创建实例。

• ThreadGroup(String name)：以指定的线程组名字来创建新的线程组
• ThreadGroup(ThreadGroup parent,String name)：以指定的名字、指定的父线程组创建一个新线程组

Java程序不允许改线程组名字，通过getName()方法获取线程组名字。

ThreadGroup类提供了如下常用的方法

• int activeCount()：返回此线程组中活动的线程数目
• interrupt()：中断此线程组中的所有线程
• isDaemon()：判断该线程组是否是后台线程组
• setDaemon(boolean daemon)：把该线程组设置成后台线程组。
• setMaxPriority(int pri)：设置线程组的最高优先级。

2.线程组和异常处理机制

从Java 5开始，Java加强了线程的异常处理，如果线程执行过程中抛出了一个未处理异常，JVM在结束该线程之前会自动查找是否有对应的Thread.UncaughtExceptionHandler对象，如果找到该处理器对象，则会调用该对象的uncaughtException(Thread t,Throwable e)方法来处理该异常。

Thread类提供了两个方法设置异常处理器。

• static setDefaultUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler eh)：为该线程类的所有线程实例设置默认的异常处理器
• setUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler eh)：为指定的线程实例设置异常处理器

ThreadGroup类实现了Thread.UncaughtExceptionHandler接口，所以每个线程所属的线程组将会作为默认的异常处理器。

如果线程执行过程中抛出了一个未处理异常，JVM在结束该线程之前会自动查找是否有对应的Thread.UncaughtExceptionHandler对象，如果找到该处理器对象，则会调用该对象的uncaughtException(Thread t,Throwable e)方法来处理该异常；否则，JVM会调用该线程所属的线程组对象的uncaughtException()方法来处理该异常。

线程组处理异常的流程如下：

• 如果该线程组有父线程组，则调父线程组的uncaughtException()方法来处理该异常。
• 如果该线线程实例所属的线程类有默认的异常处理器，那么调用该异常处理器来处理异常
• 如果该对象是ThreadDeath对象，则不做任何处理；否则，将异常跟踪栈的信息打印到System.err错误输出流，并结束该线程。

下面主程序设置了异常处理器。

package com.gdut.thread;

class MyExHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler{
    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        System.out.println(t+"线程出现了异常"+e);
    }
}
public class ExHandler {
    public static void main(String[] args) {
        Thread.currentThread().setUncaughtExceptionHandler(new MyExHandler());
        int a=5/0;
        System.out.println("程序正常结束");
    }
}

输出：Thread[main,5,main]线程出现了异常java.lang.ArithmeticException: / by zero

二. 线程池

系统启动一个新线程的成本是非常高的，因为它涉及与操作系统交互。当程序中需要创建大量生存期很短暂的线程时，应该考虑使用线程池来提高系统性能。

与数据库连接池类似的是，线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程，当序将一个Runnable对象或Callable对象创给线程池，线程池就会启动一个线程来执行他们的run()或call()方法，当run()或call()方法执行结束后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中称为空闲状态，等待执行下一个Runnable对象的run()或call()方法。

除此之外，使用线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量，当系统中包含大量并发线程时，会导致系统性能剧烈下降，甚至导致JVM崩溃。

2.1 Java 8改进的线程池

从Java 5开始，Java内建支持线程池。Java 5新增了一个Executors工厂类来生产线程池，包含如下静态方法生产不同的线程池。

• newCachedThreadPool(）：创建一个具有缓存功能的线程池，系统根据需要创建线程，这些线程将被还存在线程池中
• newFixdThreadPool(int nThread)：创建一个可重用的，具有固定线程数的线程池
• newSingleThreadExecutor()：创建一个只有单线程的线程池，相当于newFixdThreadPool(int nThread)传入参数1。
• newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建具有指定线程数的线程池，它可以在指定延迟后执行线程任务。corePoolSize指池中所保存的线程数，即使线程是空闲的也被保存在线程池内
• newSingleThreadledExecutor()：创建一个线程的线程池，它可以在指定延迟后执行线程任务。
• ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism)：创建持有足够线程的线程池来支持给定的并行级别，该方法还会使用多个队列来减少竞争。
• ExecutorService newWorkStealingPool()：该方法是前一个方法的简化版，他根据当前机器的CPU核数设置并行级别。

上面7个方法中的前三个方法返回一个ExecutorService对象，该对象代表一个线程池，它可以执行Runnable对象和Callable对象所代表的线程，中间两个方法返回一个ScheduledExecutorService线程池，它是ExecutorService的子类，它可以在指定延迟后执行线程任务，最后两个方法是Java 8新增的，他充分利用多CPU的并行能力。这两个方法生成的work stealing池,都相当于后台线程池，如果所有的前台线程都死亡了，work stealing池中的线程也会自动死亡。

ExecutorService对象的submit()方法可以执行Runnable对象或C对象代表的任务，返回Future对象，该对象代表call()方法的返回值。

ScheduledExecutorServic代表指定延迟后或周期性的执行任务的线程池，它提供了如下四个方法

• ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callble,long delay,TimeUnit unit)：指定callable任务将在delay延迟后执行
• ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay,TimeUnit unit)：指定command任务将在delay延迟后执行
• ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit)：指定command任务将在delay延迟后以设定频率重复执行，也就是说，在initialDelay后开始执行，依次在initialDelay+period、initialDelay+period*2...重复执行。
• ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit)：创建并执行一个给定初始延迟后首次启动的定期操作，以后每一次执行终止和下一次执行的开始之间都存在给定的延迟。如果任务在某一次执行时遇到异常，就会取消后续执行；否则，只能通过程序显式取消或终止该任务。

用完一个线程池后，应该调用线程池的shutdown()方法启动线程池的关闭序列，调用shutdown()方法后的线程池不再接受任务，但会将以前所有已提交任务执行完成；另外也可以调用shutdownNow()方法关闭线程池，该方法试图停止所有在执行的活动任务，暂停处理正在等待执行的任务，并返回等待执行的任务列表。

使用线程池的任务步骤如下：

1. 调用Executors类的静态工厂方法创建一个ExecutorService对象，该对象代表一个线程池
2. 创建Runnable实现类或Callable实现类的实例，作为线程执行任务
3. 调用ExecutorService对象的submit()方法来提交Runnable或Callable的实例代表的任务
4. 当不想提交任何任务时，调用ExecutorService对象的shutdown()方法来关闭线程池。

实例如下：

package com.gdut.thread.threadPool;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(6);
        Runnable runnable1 = ()->{
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
            }
        };
        Runnable runnable2 = ()->{
            for (char i = 'a'; i < 'z'; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
            }
        };
        pool.submit(runnable1);
        pool.submit(runnable2);
        pool.submit(runnable2);
        pool.shutdown();
    }
}

2.2 Java 8 增强的线程池

为了充分利用多CPU的优势、多核CPU的性能优势。可以考多个小任务，把小任务放到多个处理器核心上并行执行；当多个小任务执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可。Java 7提供了ForkJoinPool来支持这个功能。

ForkJoinPool是ExecutorService的实现类，因此是一种特殊的线程池。提供了如下两个常用的构造器

• ForkJoinPool(int parallelism)：创建一个包含parallelism个并行线程的ForkJoinPool.
• ForkJoinPool()：以Runtime.availableProssesors()方法的返回值作为paralelism参数来创建ForkJoinPool.

Java 8进一步拓展了ForkJoinPool的功能，Java 8增加了通用池功能。ForkJoinPool通过如下两个方法提供通用池功能。

• ForkJoinPool commonPool()：该方法返回一个通用池，通用池的状态不会受shutdown()或shutdownNow()方法的影响。
• int getCommonPoolParallelism()：该方法返回通用池的并行级别。

创建了通用池ForkJoinPool实例之后，就可调用ForkJoinPool的submit(ForkJoinTask task)或invoke(ForkJoinTask task)方法来执行指定任务了。其中，ForkJoinTask代表一个并行，合并的任务。

ForkJoinTask是一个抽象类，它还有两个抽象子类：RecursiveAction和recursiveTask。其中RecursiveAction代表没有返回值的任务，RecursiveTask代表有返回值的任务。

下面程序将一个大任务（打印0~500）的数值分成多个小任务，并将任务交给ForkJoinPool来执行。

package com.gdut.thread.threadPool;

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveAction;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class PrintTask extends RecursiveAction{

    private static final int THRESHOLD = 50;
    private int start;
    private int end;
    public PrintTask(int start,int end) {
      this.start = start;
      this.end = end;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if(end-start<THRESHOLD){
            for (int i = start; i <end ; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"的i值"+i);
            }
        }else{
            //当end与start的差大于THRESHOLD时，即要打印的数超过50时，将大任务分成两个小任务
            int middle = (end+start)/2;
            PrintTask left = new PrintTask(start,middle);
            PrintTask right = new PrintTask(middle,end);
            left.fork();
            right.fork();
        }
    }
}
public class ForkJoinPoolTest{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        pool.submit(new PrintTask(0,500));
        pool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
        pool.shutdown();
    }

}

8核计算机的执行效果

下面程序示范了使用RecursiveTask对一个长度为100的数组的元素值进行累加。

package com.gdut.thread.threadPool;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

class CalTask extends RecursiveTask<Integer>{

    private static final int THRESHOLD = 20;
    private int[] arr;
    private int start;
    private int end;

    public CalTask(int[] arr,int start,int end) {
        this.arr = arr;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        if(end-start<THRESHOLD){
            for (int i = start; i <end ; i++) {
                sum +=arr[i];
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"加上"+arr[i]+"后的累加值为："+sum);
            }
            return sum;
        }else{
            int middle = (end+start)/2;
            //将大任务分成两个小任务
            CalTask left = new CalTask(arr,start,middle);
            CalTask right = new CalTask(arr,middle,end);
            //执行两个小任务
            left.fork();
            right.fork();
            //将两个小任务累加的结果合并起来
           return left.join() + right.join();
        }

    }
}

public class Sum {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        int[] arr = new int[100];
        Random rand = new Random();
        int total = 0;
        for (int i = 0; i <100 ; i++) {
            int tmp = rand.nextInt(20);
            total += (arr[i] = tmp);
        }
        System.out.println(total);

        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        Future future = pool.submit(new CalTask(arr,0,100));
        System.out.println(future.get());
        pool.shutdown();
    }
}