Java并发与多线程（3）:线程池、等待唤醒

一、等待唤醒机制

1、线程间的通信

概念：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。
比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

（1）为什么要处理线程间通信：
多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。
（2）如何保证线程间通信有效利用资源：
就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺（效率至上）。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

2、等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

（1）wait/notify 就是线程间的一种协作机制。
就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()），等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

（2）等待唤醒中的方法
等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：

1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set （集合）中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程（队列存储）释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：
哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：
（1）如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
（2）否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用锁对象的wait和notify方法需要注意的细节

1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对
   象调用的wait方法后的线程。
2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继
   承了Object类的。
3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方
   法。

3、生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

等待唤醒机制如何有效利用资源：
包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子
（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。

接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

代码演示：

/**
 * 包子类
 * @author Mango
 */
public class BaoZi {

    String pi;
    String xian;
    boolean flag = false;

}

/**
 * 包子铺
 */
public class BaoZiShop extends Thread{

    private BaoZi baoZi;

    public BaoZiShop(String name, BaoZi baoZi) {
        super(name);
        this.baoZi = baoZi;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        //造包子
        while(true) {
            synchronized (baoZi) {
                if (baoZi.flag) {
                    try {
                        baoZi.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //没有包子 造包子
                System.out.println("包子铺开始做包子了");
                if(count %2 ==0) {
                    baoZi.pi = "冰皮";
                    baoZi.xian = "五仁";
                }else {
                    baoZi.pi = "薄皮";
                    baoZi.xian = "牛肉";
                }
                count++;

                baoZi.flag = true;
                System.out.println(baoZi.pi + baoZi.xian + "造好了");
                baoZi.notify();
            }
        }
    }
}

/**
 * 顾客
 * @author Mango
 */
public class Customer extends Thread{

    private BaoZi baoZi;

    public Customer(String name,BaoZi baoZi) {
        super(name);
        this.baoZi = baoZi;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (baoZi) {
                if(!baoZi.flag) {
                    //没包子
                    try {
                        baoZi.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("顾客正在吃" + baoZi.pi + baoZi.xian + "包子");
                baoZi.flag = false;
                baoZi.notify();
            }
        }
    }

}

二、线程池

1、线程池思想概述

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低
系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。

那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？在Java中可以通过与连接池类似的线程池来达到这样的效果。

2、线程池概念

线程池：其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

线程池原理如图：

合理利用线程池能够带来三个好处：

1. 降低资源消耗。减少了线程创建销毁的过程（j节约资源），每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
2. 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
3. 提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内
   存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。

3、线程池的使用

Java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor ，但是严格意义上讲Executor 并不是一个线程
池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService 。

要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors 线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下：
(1)public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) ：返回线程池对象。(创建的是有界线
程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：
(1)public Future<?> submit(Runnable task) :获取线程池中的某一个线程对象，并执行Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤：

1. 创建线程池对象。
2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
4. 关闭线程池(一般不做)。

Runnable实现类代码：

/**
 * 创建一个Runnable接口的实现类
 * @author Mango
 */
public class DomeRunnable implements Runnable {

    /**
     * 重写接口的run方法，设置线程任务
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + i );
        }
    }
}

/**
 * 测试线程池
 */
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);
		//创建Runnable实例对象
        DomeRunnable runnable = new DomeRunnable();

		//从线程池中获取线程对象，然后调用runnable对象中的run（）
        service.submit(runnable);
        service.submit(runnable);
    }
}