阿里专家与你分享：你必须了解的Java多线程技术
摘要：本文介绍了Lambda表达式的起源以及基本语法，并提供代码实例帮助大家理解Lambda表达式的使用。另外，本文介绍了Java开发中常用的多线程技术，详细介绍多线程涉及到的概念以及使用方法。
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演讲嘉宾简介：
吕德庆(花名：嵛山)，阿里巴巴高级开发工程师，武汉大学地信硕士，有丰富的系统开发经验，使用过Java，C++、Go、Python、Javascript、.Net等多种语言，目前主要精力在Java，就职于阿里巴巴代码中心团队，负责后端开发。
PPT地址：https://yq.aliyun.com/download/2657
以下内容根据演讲嘉宾视频分享以及PPT整理而成。
本次的分享主要围绕以下两个方面：
一、Lambda入门
二、多线程技术
一、Lambda入门
Lambda起源于数学中的λ演算中的一个匿名函数，从它的起源我们可以知道，Lambda本身就是一个匿名函数，是Java8才推出的亮点，体现了函数式编程的思想。现在主流的编程语言都包含了函数式编程的特性，Java8在进化过程中吸收了该特性，作为面向编程对象的补充。
Lambda基本语法如下图所示，Lambda语法较为简单，和普通函数相比，没有返回值以及函数名，它的参数和执行语句之间通过->连接，表示参数将传递到语句中执行。Lambda表达式还有两种简化表达式的方法，当表达式中只有一个执行语句时，可以省略语句的{}；如果接口的抽象方法只有一个形参，（）可以省略，只需要参数的名称即可。Lambda可以替代特定匿名内部类，Lambda表达式不能单独存在，在使用时必须继承函数式接口。
下图示例中的第一个Lambda表达式，形参列表的数据类型会自动推断，只需要参数名称。
代码示例：
package lambda;
public class Lambda {
public static void main(String[] args) {
Flyable flyable = new Flyable() {
@Override
public void fly(int a) {
System.out.println("I can fly by anonymous class");
}
//@Override
//public void landing() {
// System.out.println("I can landing by anonymous class");
//}
};
flyable.fly(1);
flyable = (t) -> System.out.println("I can fly by lambda");
flyable.fly(1);
Bird bird = new Bird() {
@Override
void fly() {
System.out.println("I can fly by bird");
}
};
bird = () -> System.out.println("I can fly by lambda");
}
@FunctionalInterface
interface Flyable {
void fly(int a);
//void landing();
}
abstract static class Bird {
abstract void fly();
}
}
在上图展示的代码中，代码中的匿名内部类继承了Flyable接口，实现了接口中的fly()方法。代码准备了Lambda表达式重新实现了Flyable接口。根据代码中的输出命令，执行结果显示Lambda表达式起到了和匿名内部类相同的作用。代码中，并没有定义Lambda表达式的参数类型，但是我们也可以在Lambda表达式中定义符合要求的类型flyable=(int t)->System.out.println(“I can fly by Lambda”)，如果参数类型与接口中方法参数类型不一致flyable=(String t)->System.out.println(“I can fly by Lambda”)，编译器就会报错。
假如接口实现了两个方法，匿名内部类可以重写新的方法。但是，Lambda表达式没法做到这一点，编译后，将会提示发现有多个需要重写的抽象方法。因此，Lambda表达式在实现接口时，只允许接口中有一个抽象方法，我们将这样的接口称为函数式接口，Java8中提供了注解@FunctionalInterface检验接口是否为函数式接口，如果不是，注解将会报错。另外，代码尝试使用Lambda表达式替代抽象类的匿名内部类的写法，但会报错，提示必须继承函数式接口。因此，Lambda可以替代特定匿名内部类，简化代码，但是必须继承函数式接口。
二、多线程技术
1.进程与线程
进程是具有一定独立功能的程序，关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。线程是进程的一个实体，是CPU分配调度的基本单位，代码的执行体。从概念上，我们可以知道进程是程序的一次运行活动，需要系统进行分配和调度的；线程是最终代码的执行体，是CPU分配调度的基本单位。同一个进程中可以包括多个线程，并且线程共享整个进程的资源，一个进程至少包括一个线程。如果在理解概念时很费解，想要充分理解这些概念，我们可以采用反抽象的方法，即联系，我们需要在实际生活中寻找符合概念描述的事物。举例说明：我们经常说安卓手机比较卡，手机上App跑的太多，导致内存不足，那么我们在手机上看到的这些App，就是一个个程序；在手机卡顿时，双击home键，看到有App在后台运行，这是我们看到的这些app就是进程。进程是需要系统分配资源的，资源相当于手机的内存。通过这个例子，我们可以加深对进程和程序概念上的理解。另外，我们也可以通过反抽象的方法理解进程与线程的概念。举例说明：公司运转与员工工作，这里的公司，我们可以对应到程序；进程是程序的运行活动，这里的进程，我们可以理解为公司的正常运转；同时，公司想要正常运转，离不开员工的工作，员工是公司运转不可分割的实体，只有员工才是真正做事的人，因此我们可以将线程类比员工。
2.线程的生命周期
下图为线程的状态图。所谓的生命周期，指的是线程从出生到死亡过程中，经历的一系列状态。线程通过创建Thread的一个实例new Thread()进入new新建状态；之后调用start()方法进入等待被分配时间片，进入runnable状态；之后，线程获得CPU资源执行任务，进入running状态；当线程执行完毕或被其它线程杀死，线程就进入dead死亡状态；如果由于某种原因导致正在运行的线程让出CPU并暂停自己的执行，即进入blocked堵塞状态，在多种条件下，blocked状态可以恢复成runnable状态，最终在线程重新拿到时间片后，就可以进入running状态重新运行。在running状态下，如果时间片用完了或者线程主动放弃CPU的使用，线程重新回到runnable状态。
时间片指的是CPU的时间片段，CPU将它的可执行时间分成很多片段，每个片段随机分配给处在runnable状态下的线程，这样可以达到并发的效果。假设我有一个单核的CPU，通过分割很多的时间片，每个程序都有机会运行，仍然可以跑很多的程序，宏观上看是并发的，但是由于只有一个CPU，实际上程序还是串行的。
我们可以通过阅读JDK的Thread类注释，创建并使用线程，如下图所示。
按照JDK的注释，下述代码中使用了两种创建线程的方法。由于Runnable是一个函数式接口，因此代码中使用Lambda表达式替代匿名内部类，再将runnable传递给Thread，使用start()启动线程。
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
PrimeThread thread = new PrimeThread();
thread.setName("Thread ");
thread.start();
Runnable runnable = () -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " runnable run.");
Thread t = new Thread(runnable);
t.run();
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
static class PrimeThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Thread run");
}
}
}
上述代码结果如下图所示。在下图代码中，如果我们将t.start();替换成t.run()，打印结果将会变成：
Thread Thread run
Main runnable run.
Main
这说明run()方法并没有真正启动线程，run()方法只是在当前的线程中执行了run中的函数。
3. 线程协作
并行与协作：线程在并发的过程中更多的是协作关系，就像之前的概念中所提到的，进程是系统资源分配的单位，线程本身并没有多少分配资源，除了维护自己必须的内存开销之外，线程的所有资源都是在进程中。多线程在使用竞争中资源时，存在抢占或者说是共享的关系。
这时，多线程之间该如何协作，是需要我们去解决的。我们通过下面的代码，学会使用关键字synchronized，以及理解临界区，锁的概念。
public class Tickets {
int tickets = 10;
/**
* 重复卖票
*/
void sell() {
while (tickets > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell ticket:" + tickets);
tickets--;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell out.");
}
public static void main(String[] args) {
Tickets tickets = new Tickets();
Thread sellerA = new Thread(tickets::sell);
sellerA.setName("sellerA");
Thread sellerB = new Thread(tickets::sell);
sellerB.setName("sellerB");
Thread sellerC = new Thread(tickets::sell);
sellerC.setName("sellerC");
sellerA.start();
sellerB.start();
sellerC.start();
}
}
上述代码模拟售票操作。一共有10张票，三个售票员sellerA，seller，sellerC一起去售票，sell( )方法模拟售票行为。代码启动线程之后，运行结果如下图所示。售票员sellerA在一个时间片内将sell方法中的代码全部跑完，票售空，但是sellerB与sellerC在线程并发时，也售出了第10张票，存在重复售票，这样的操作是不合理的。
为了解决重复售票的问题，我们可以使用Java中提供的同步关键字synchronized修饰sell( )方法，代码如下述所示。使用关键字synchronized修饰后，多线程在访问sell( )方法时，能保证只有一个线程执行这个方法，当前线程执行完sell( )方法后，其他线程才能执行sell( )方法。
/**
* sync之后，导致独占资源
*/
synchronized void sell() {
while (tickets > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell ticket:" + tickets);
tickets--;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell out.");
}
执行上述代码后，输出结果如下图所示。从下面结果可以看到，代码解决了重复售票的不合理问题，但是仍然只有sellerA一个在售票。原因在于，通过关键字synchronized修饰sell( )方法后，sellerA在拿到sell( )方法的执行权时，把里面的代码一口气执行完了，也就是将票全部卖出，等sellerA执行完后，sellerB和sellerC再执行sell( )方法时，票数已经为0，自然会出现下图中没有卖出一张票的现象。我们将方法sell( )中的内容叫做临界区，当一个线程进入临界区后，其他线程必须等待该线程执行完临界区内容后，才能进入该临界区。
下述代码改善了上述sellerA一口气卖完所有票的现象。代码在方法体内使用关键字synchronized，括号中的this表示一个对象或者一个类。代码相较于上面的解决方法，将临界区从整个方法缩小到两行代码。也就是说多线程在执行这两行代码时是同步的。
/**
* 改善后，资源没有独占
*/
void sell() {
while (tickets > 0) {
synchronized (Tickets.class) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell ticket:" + tickets);
tickets--;
}
//do something
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell out");
}
上述代码执行结果如下图所示。从图中我们可以发现，不再是只有sellerA在卖票。并且代码每次执行结果都是不一样的，因为CPU的时间片是随机给出的。上述代码中的try catch方法块使线程睡50ms，延长售票操作的时间，在这段时间内可以执行其他的操作（比如，将该票给某个顾客）。代码改善过后，保证资源不是被独占的，使资源分配均匀。
从运行结果来看，存在无效票，原因在于：假设当前票数为1，A进入临界区售票，而此时B已经进行判断，在临界区外等待了。当A卖完票后，票数为0，但是B还是会进入临界区进行售票操作，因此，出现无效票-1的情况。这说明代码需要进一步改善。改善后的代码如下所示。代码在临界区内加入判断条件，只有票数大于0时，才会进行售票操作，这是常用的双重检验方法。经过双重检验后，运行代码就不会出现无效售票。
/**
* 改善后，资源没有独占, 修复卖出无效票的问题
*/
void sell() {
while (tickets > 0) {
synchronized (this) {
if (tickets > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell ticket:" + tickets);
tickets--;
}
}
//do something
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell out");
}
下面介绍另外一种单线程同步的方法。代码如下。代码通过Lock接口定义了一个锁，使用ReentrantLock实现。锁和上面提到的关键字synchronized作用是一样的，都是定义出一个临界区，让线程进入临界区时实现线程同步。代码通过lock.lock( )定义临界区的初始点，使用在try语句块中定义临界区执行内容, finally语句块中采用unlock( )方法进行解锁。在unlock后线程才算真正走出临界区。使用try，finally的原因在于：如果try中抛出异常，如果没有finally中的解锁，线程不会调用unlock方法，永远占用这把锁，导致其他线程无法进入临界区执行代码。在finally中调用unlock( )方法保证无论什么情况下，锁终将被释放。避免死锁。
private Lock lock = new ReentrantLock();
/**
* 使用锁
*/
void sell() {
while (tickets > 0) {
lock.lock();
try {
if (tickets > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell ticket:" + tickets);
tickets--;
}
} finally {
lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放
}
//do something
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sell out");
}
在上述展示的代码中，如果线程遇到售卖同一张票，锁没有被释放，线程将会等待。改善这种情况的方法是，我们使用10把锁，使得每张票都有一把锁，当线程A售卖某张票时，其他线程可以跳过这张票，无需等待去卖其他未售出的票。或者，使用两把锁，五张票一把锁，这种分段锁的策略进一步提高了并发的效率。
4. 线程池
线程虽然不占用进程中的资源，但在Java中，如果每当一个请求到达就创建一个新线程，开销是相当大的。并且，如果在一个JVM里创建太多的线程，可能会导致系统由于过度消耗内存导致系统资源不足，为了防止资源不足，应该尽可能减少创建和销毁线程的次数，特别是一些资源耗费比较大的线程的创建和销毁，尽量复用已有对象来进行服务，这就线程池技术产生的原因。如果想要实现线程的复用，我们需要继承线程，在run方法中通过循环不断从外部获取runnable的实现，以此达到线程复用的目的。有了复用后，可以提供线程池，管理线程，线程池可以控制线程的并发度，同时，通过对多个任务重用线程，线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟。
下面介绍一下线程池的使用。下图代码中展示了ThreadPoolExecutor的构造方法，下面介绍一下方法中包含的参数。
- corePoolSize：表示线程池的核心线程数，指线程池中常驻线程的数量，核心线程数会一直在线程池中存活，除非线程池停止使用被资源回收了。
- maximumPoolSize：指线程池所能容纳的最大线程数量，当活动线程数到达这个数值后，后续的新任务将会被阻塞。
- keepAliveTime：非核心线程闲置时的超时时长，超过这个时长，非核心线程就会被回收。当ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut属性设置为true时，keepAliveTime同样会作用于核心线程。
- Unit：用于指定keepAliveTime参数的时间单位。
- workQueue：表示线程池中的任务队列（阻塞队列），通过线程池的execute方法提交Runnable对象会存储在这个队列中。
- threadFactory：表示线程工厂，为线程池提供创建新线程的功能。
- RejectExecutionHandler：这个参数表示当ThreadPoolExecutor已经关闭或者已经饱和时（达到了最大线程池大小而且工作队列已经满），提供以下几个策略考虑是否拒绝到达的任务。DiscardPolicy：直接忽略提交的任务
- AbortPolicy：忽略提交的任务，在拒绝的同时抛出异常，通知调用者拒绝执行
- CallerRunsPolicy：让线程池的使用者所在的线程运行提交的任务调用者
- DiscardOlderestPolicy：忽略最早放到队列中的任务
下面代码自定义了一个线程池。通过线程池的submit( )方法提交runnable的实现，最终通过线程池的shutdown( )方法关闭线程池。
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
new ThreadPoolExecutor(16, 30, 30L, TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10), new ThreadFactory() {
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
t.setDaemon(false);
t.setUncaughtExceptionHandler((thread, e) -> System.out.println(e.getMessage()));
return t;
}
}, new DiscardOldestPolicy());
threadPoolExecutor.submit(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()));
threadPoolExecutor.shutdown();
//ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool();
findJavaExecutorsBug();
Java包中预置的线程池有以下几种：newSingleThreadExecutor；newFixedThreadPool：newCachedThreadPool： newScheduledThreadPool： 但在阿里巴巴的Java开发中是不建议甚至禁止使用Java预置线程池的。下图中的代码目的是寻找SingleThreadExecutor的bug。
static void findJavaExecutorsBug() {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (;;) {
executorService.submit(() -> {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(30);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}
上述代码的运行结果如下图所示。代码利用循环，无限添加runnable的实现，但是由于单一线程的阻塞队列是没有边界的，会导致添加的对象过多，耗尽内存资源。因此阿里巴巴开发手册是明确禁止使用Java预置线程池的。
本文由云栖志愿小组沈金凤整理，编辑百见
