Java并发

线程池的实现原理

2018-08-08  本文已影响4人  CodeKing2017

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架,几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中,合理地使用线程池能够带来3个好处。

第一:降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

第二:提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。

第三:提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制地创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是,要做到合理利用线程池,必须对其实现原理了如指掌。

线程池的实现原理

当向线程池提交一个任务之后,线程池是如何处理这个任务的呢?来看一下线程池的主要处理流程,处理流程图如图所示。

线程池的主要处理流程

从图中可以看出,当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下。

1)线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是,则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务,则进入下个流程。

2)线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满,则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了,则进入下个流程。

3)线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有,则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图,如图所示。

execute方法分下面4种情况。

1)如果当前运行的线程少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务(注意,执行这一步骤需要获取全局锁)。

2)如果运行的线程等于或多于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue。 

3)如果无法将任务加入BlockingQueue(队列已满),则创建新的线程来处理任务(注意,执行这一步骤需要获取全局锁)。

4)如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize,任务将被拒绝,并调用 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路,是为了在执行execute()方法时,尽可能地避免获取全局锁(那将会是一个严重的可伸缩瓶颈)。在ThreadPoolExecutor完成预热之后(当前运行的线程数大于等于corePoolSize),几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2,而步骤2不需要获取全局锁。

源码分析:上面的流程分析让我们很直观地了解了线程池的工作原理,让我们再通过源代码来看看是如何实现的,线程池执行任务的方法如下。

工作线程:线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后,还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的run()方法里看到这点。

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图如图所示。

ThreadPoolExecutor执行任务示意图

线程池中的线程执行任务分两种情况,如下。

1)在execute()方法中创建一个线程时,会让这个线程执行当前任务。

2)这个线程执行完上图中1的任务后,会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize,maximumPoolSize,keepAliveTime,milliseconds,runnableTaskQueue, handler);

创建一个线程池时需要输入几个参数,如下。

1)corePoolSize(线程池的基本大小):当提交一个任务到线程池时,线程池会创建一个线程来执行任务,即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程,等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法,线程池会提前创建并启动所有基本线程。

2)runnableTaskQueue(任务队列):用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。

·ArrayBlockingQueue:是一个基于数组结构的有界阻塞队列,此队列按FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。

·LinkedBlockingQueue:一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按FIFO排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。

·SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用 移除操作,否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。

·PriorityBlockingQueue:一个具有优先级的无限阻塞队列。

3)maximumPoolSize(线程池最大数量):线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了,并且已创建的线程数小于最大线程数,则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是,如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。

4)ThreadFactory:用于设置创建线程的工厂,可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设 置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线 程设置有意义的名字,代码如下。

new  ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

5)RejectedExecutionHandler(饱和策略):当队列和线程池都满了,说明线程池处于饱和状态,那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。

·AbortPolicy:直接抛出异常。

·CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。

·DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。

·DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。 当然,也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

6)AliveTime(线程活动保持时间):线程池的工作线程空闲后,保持存活的时间。所以, 如果任务很多,并且每个任务执行的时间比较短,可以调大时间,提高线程的利用率。

7)TimeUnit(线程活动保持时间的单位):可选的单位有天(DAYS)、小时(HOURS)、分钟(MINUTES)、毫秒(MILLISECONDS)、微秒(MICROSECONDS,千分之一毫秒)和纳秒(NANOSECONDS),千分之一微秒。

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务,分别为execute()和submit()方法。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功。 通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象,通过这个 future对象可以判断任务是否执行成功,并且可以通过future的get()方法来获取返回值,get()方法会阻塞当前线程直到任务完成,而使用get(long timeout,TimeUnit    unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回,这时候有可能任务没有执行完。

关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线 程池中的工作线程,然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程,所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别,shutdownNow首先将线程池的状态设置成 STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待执行任务的列表,而 shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态,然后中断所有没有正在执行任务的线 程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个,isShutdown方法就会返回true。当所有的任务 都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池,应该由提交到线程池的任务特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,如果任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法。

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