Java多线程与线程池技术详解（九）

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProducerConsumerExample {
    private final int MAX_SIZE = 5;
    private final LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public void produce(int value) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == MAX_SIZE) {
                System.out.println("Buffer is full, waiting...");
                notFull.await();
            }
            list.add(value);
            System.out.println("Produced: " + value);
            notEmpty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Integer consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.isEmpty()) {
                System.out.println("Buffer is empty, waiting...");
                notEmpty.await();
            }
            Integer value = list.removeFirst();
            System.out.println("Consumed: " + value);
            notFull.signalAll();
            return value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

这段代码中，我们创建了一个固定大小的缓冲区，并通过ReentrantLock和两个Condition对象（notFull和notEmpty）来管理生产和消费的过程。

为什么在某些情况下ReentrantLock的表现优于synchronized？

ReentrantLock提供了比synchronized更灵活的功能，例如可以尝试获取锁、支持公平锁、允许锁中断等特性。此外，在高并发场景下，ReentrantLock的性能可能优于synchronized，因为它避免了线程进入内核态的阻塞状态。不过需要注意的是，在低并发的情况下，synchronized的性能表现可能会更好。

设计一个场景，说明何时应该选择使用读写锁而不是普通的互斥锁

假设有一个缓存系统，其中读取操作远远多于写入操作。在这种情况下，如果使用普通的互斥锁，则每次读取时都会阻止其他读取操作的发生，即使它们不会相互影响。而使用读写锁（如ReentrantReadWriteLock），则可以在没有写入操作发生时允许多个读取操作同时进行，从而提高了系统的并发度和响应速度。

实现一个简单的银行账户类

对于银行账户类，我们可以分别使用synchronized和ReentrantLock来保证线程安全。以下是两种实现方式：

使用synchronized关键字：

public class BankAccountSynchronized {
    private double balance;

    public synchronized void deposit(double amount) {
        // 存款逻辑
    }

    public synchronized boolean withdraw(double amount) {
        // 取款逻辑
        return true;
    }
}

使用ReentrantLock：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BankAccountReentrantLock {
    private double balance;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void deposit(double amount) {
        lock.lock();
        try {
            // 存款逻辑
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean withdraw(double amount) {
        lock.lock();
        try {
            // 取款逻辑
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

两者的主要区别在于synchronized是隐式锁，自动管理锁的获取与释放；而ReentrantLock需要显式地调用lock()和unlock()方法来控制锁的行为。

公平锁与非公平锁

公平锁：所有等待线程按照请求锁的顺序获得锁，这有助于防止饥饿现象的发生，但吞吐量较低。
非公平锁：允许新到达的线程插队，即有可能跳过已经在等待的线程直接获得锁，这种方式能提高吞吐量，但在极端情况下可能导致部分线程长时间得不到执行机会。

例如，在一个高频交易系统中，为了最大化吞吐量，可以选择使用非公平锁；而在一个任务调度系统中，为了保证每个任务都能得到及时处理，可能更适合采用公平锁。

Shutdown() vs ShutdownNow()

shutdown()方法会停止接收新的任务并将试图终止所有正在运行的任务，但它不会立即终止已提交的任务。相反，shutdownNow()将尝试取消所有未开始的任务，并且会中断正在执行的任务。因此，shutdownNow()更激进，可能会导致一些任务被中途打断，适用于紧急情况下的快速关闭。

Future 和 FutureTask

Future接口表示异步计算的结果，提供了检查计算是否完成、等待计算完成以及获取结果的方法。FutureTask是一个实现了Runnable和Future接口的具体类，它可以包装一个Callable或Runnable对象，使得可以通过调用其run()方法启动任务，并通过get()方法获取结果或等待任务完成。此外，还可以调用cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来尝试取消任务。

创建可暂停和恢复所有线程池任务的系统

要实现这样一个系统，可以考虑为每个任务添加一个状态标志位，用于指示任务是否应该暂停。当接收到暂停指令时，所有任务都将检查自己的状态并根据需要暂停执行。恢复时，再次检查状态以决定是否继续执行。需要注意的是，这种设计可能会引入额外的复杂性，比如如何同步状态变更以及处理潜在的死锁问题。

知识讲解

第9章 Tomcat线程池技术

9.1 自定义 ThreadPoolExecutor

Tomcat的线程池是基于Java的ThreadPoolExecutor实现的，但为了适应Web服务器的需求，它做了许多定制化处理。在创建自定义的ThreadPoolExecutor时，可以指定核心线程数（corePoolSize）、最大线程数（maximumPoolSize）、空闲线程存活时间（keepAliveTime）、任务队列（workQueue）等参数。Tomcat中的ThreadPoolExecutor与标准JDK版本不同，它增加了对提交任务计数的支持，并且在执行任务失败时会尝试将任务重新加入到任务队列中。

// 自定义ThreadPoolExecutor构造函数
public class CustomThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    public CustomThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize,
                                   long keepAliveTime, TimeUnit unit,
                                   BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
        // 预热所有核心线程
        prestartAllCoreThreads();
    }
}

9.2 Tomcat任务队列

Tomcat的任务队列并非直接使用JDK提供的阻塞队列，而是使用了一个名为TaskQueue的类，它是LinkedBlockingQueue的一个子类。这个队列实现了特殊的逻辑：当线程池中的线程数量小于最大线程数时，它会优先创建新的线程来处理任务而不是将任务放入队列；只有在线程数达到最大值后才会考虑将任务放入队列。

// TaskQueue 类的部分实现
public class TaskQueue extends LinkedBlockingQueue<Runnable> {
    @Override
    public boolean offer(Runnable o) {
        // 如果线程池大小未达到最大，则返回false，表示队列已满
        if (parent.getPoolSizeNoLock() < parent.getMaximumPoolSize()) {
            return false;
        }
        // 否则调用父类方法添加任务
        return super.offer(o);
    }
}

9.3 Tomcat任务线程

每个任务线程都是由TaskThreadFactory创建出来的，它们继承自Thread类，并且可以根据需要设置线程名称前缀、守护状态以及优先级。这些线程负责从任务队列中取出任务并执行。

// TaskThreadFactory 创建线程的方法
public class TaskThreadFactory implements ThreadFactory {
    private final String namePrefix;
    private final boolean daemon;
    private final int threadPriority;

    public TaskThreadFactory(String namePrefix, boolean daemon, int threadPriority) {
        this.namePrefix = namePrefix;
        this.daemon = daemon;
        this.threadPriority = threadPriority;
    }

    @Override
    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread t = new Thread(r, namePrefix + "-" + threadNumber.getAndIncrement());
        t.setDaemon(daemon);
        t.setPriority(threadPriority);
        return t;
    }
}

9.4 Tomcat任务线程工厂

如上所示，TaskThreadFactory用于创建线程实例，并允许开发者配置线程的名字、是否为守护进程及优先级。

9.5 Tomcat连接器与线程池

Tomcat的连接器（Connector）负责监听客户端请求，并通过线程池分配线程来处理这些请求。根据不同的I/O模型（BIO/NIO/APR），可以选择不同的连接器实现方式。例如，默认情况下NIO模式下使用的NioEndpoint会创建一个或多个Acceptor线程来接收新连接，并将其交给Poller线程进行读写操作。

9.6 创建 Tomcat 线程池

在Tomcat启动过程中，AbstractEndpoint#createExecutor()方法会被调用来初始化线程池。这里不仅设置了线程池的基本属性，还预热了所有的核心线程以确保一旦有请求到来就能立即得到处理。

public void createExecutor() {
    internalExecutor = true;
    TaskQueue taskqueue = new TaskQueue();
    TaskThreadFactory tf = new TaskThreadFactory(getName() + "-exec-", daemon, getThreadPriority());
    executor = new ThreadPoolExecutor(getMinSpareThreads(), getMaxThreads(),
                                      60L, TimeUnit.SECONDS, taskqueue, tf);
    taskqueue.setParent((ThreadPoolExecutor) executor);
}

9.7 Web服务器异步环境

对于支持异步Servlet的应用程序来说，Tomcat提供了AsyncContext机制，使得可以在非阻塞的方式下调用业务逻辑，从而提高系统的并发处理能力。

下面是一个简单的例子展示了如何使用AsyncContext：

protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
        throws ServletException, IOException {
    final AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
    asyncContext.start(() -> {
        try {
            // 调用业务方法
            businessMethod(asyncContext.getResponse());
            asyncContext.complete();
        } catch (Exception e) {
            asyncContext.setError(e);
            asyncContext.complete();
        }
    });
}

private void businessMethod(HttpServletResponse response) throws Exception {
    // 模拟长时间运行的任务
    Thread.sleep(5000);
    response.getWriter().println("Hello World!");
}

9.8 Web服务器 NIO

Tomcat的NIO实现依赖于Java NIO库，它允许单个线程管理多个套接字连接。这减少了所需的线程数，并提高了性能。NioEndpoint类包含了对NIO特性的具体实现，包括但不限于选择器（Selector）、通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的操作。

// NioEndpoint 中的部分代码片段
@Override
protected void startInternal() throws Exception {
    // 创建并启动Poller线程
    poller = new Poller();
    Thread pollerThread = new Thread(poller, getName() + "-Poller");
    pollerThread.setPriority(threadPriority);
    pollerThread.setDaemon(true);
    pollerThread.start();
    startAcceptorThreads();
}

9.9 本章习题

考虑到篇幅限制，此处不提供完整的练习题目，但是建议读者尝试完成以下任务来加深理解：

实现自己的ThreadPoolExecutor，并测试其行为。
修改TaskQueue的行为，使其在某些条件下拒绝接受新任务。
使用AsyncContext创建一个异步Servlet应用。
探索Tomcat源码中关于NIO的具体实现细节。