深入浅出 Java 线程池

前言

Java1.5后引入的Executor框架的最大优点是把任务的提交和执行解耦,只需把Task描述清楚,然后提交即可。至于这个Task是怎么被执行的,被谁执行的,什么时候执行的,就全部交给线程池管理。

小案例

废话不多说,先来一个小小案例。

代码很简单:初始化一个线程池,提交一个任务,主线程的future.get()会阻塞线程直到任务执行完成。

Executor框架成员

线程池实现框架中包含了一堆实现类,它们之间的关系如下,只有了解了各个类之间的关系,才能方便我们更好的理解线程池的实现。
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从图中可以看到Executor、ExecutorService、ScheduledExecutorService定义线程池接口,ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor是线程池的实现,前者是一个普通的线程池,后者一个定期调度的线程池,Executors是辅助工具,用以帮助我们快速定义线程池。

参数

在初始化线程池时,不同的应用场景中,对参数的选择是很重要的,先来看看线程池的各个参数的含义:

1.workQueue:用来保存等待执行的任务的阻塞队列。

2.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,即使有其它空闲的线程,直到线程数达到corePoolSize时就不再创建,这时会把提交的新任务放到阻塞队列。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。

3.maximumPoolSize:线程池允许创建的最大线程数。如果阻塞队列满了,并且已经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。

4.threadFactory:创建线程的工厂。可以通过自定义线程工厂给每个线程设置有意义的名称。如guava提供的ThreadFactoryBuilder。

5.rejectedExecutionHandler:饱和策略。当阻塞队列满了且没有空闲的工作线程,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。这个策略在默认情况下是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。不过,线程池提供了4种策略:

1、AbortPolicy:直接抛出异常。
2、CallerRunsPolicy:只用调用者所在的线程来运行任务。
3、DiscardOldestPolicy:丢弃阻塞队列中最近的一个任务,并执行当前任务。
4、DiscardPolicy:直接丢弃。

当然,也可以根据应用场景来实现RejectedExecutionHandler接口自定义饱和策略,如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

6.keepAliveTime:线程活动保持时间。指工作线程空闲后,继续保持存活的时间。默认情况下,这个参数只有在线程数大于corePoolSize时才起作用。所以,如果任务很多,且每个任务的执行时间比较短,可以调大keepAliveTime,提高线程的利用率。

在初始化线程池时,对阻塞队列的选择也很重要,jdk中提供了以下几个阻塞队列:

  • ArrayBlockingQueue:基于数组结构的有界阻塞队列,按FIFO原则对元素进行排序。
  • LinkedBlockingQuene:基于链表结构的阻塞队列,按FIFO排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene。
  • SynchronousQuene: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LinkedBlockingQuene。
  • priorityBlockingQuene:具有优先级的无界阻塞队列。

Exectors

Exectors是java线程池的工厂类,通过它可以快速初始化一个符合业务需求的线程池,主要提供了以下几种便捷的方式:

1.newFixedThreadPool:创建一个指定工作线程数的线程池,其中参数corePoolSize和maximumPoolSize相等,阻塞队列基于LinkedBlockingQuene。

它是一个典型且优秀的线程池,它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是在线程池空闲时,即线程池中没有可运行任务时,它不会释放工作线程,还会占用一定的系统资源。

2.newCachedThreadPool:创建一个可缓存工作线程的线程池(工作线程默认存活时间1分钟)。该线程池有以下特点:
1、工作线程数量几乎没有上线,因为maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE(2147483647)。
2、如果长时间没有提交任务,且工作线程空闲了指定的时间,则该工作线程将自动终止。如果重新提交了任务,则线程池重新创建一个工作线程。

它在没有任务执行时,会释放工作线程,从而释放工作线程所占用的资源。但是,但当提交新任务时,又要创建新的工作线程,有一定的系统开销。另外一定要注意控制任务的数量,否则由于大量线程同时运行,很有会造成系统瘫痪。

3.newSingleThreadExecutor:创建一个只有单一工作线程的线程池。如果这个工作线程异常结束,会有另一个取代它。唯一的工作线程可以保证任务的顺序执行。

4.newScheduledThreadPool:创建一个可以在指定时间内周期性的执行任务的线程池。在实际业务中常用的场景是周期性的同步数据。

Future和Callable

如果提交的任务需要返回结果,必须实现Callable接口。在上述小案例中,我们向线程池提交了一个实现Callable接口的任务,并通过Future的get方法,获取到返回值。第一次看这个代码,估计会有疑惑,等理解原理之后,就可以大彻大悟了。

在实际业务场景中,Callable和Future是成对出现的,Callable负责产生结果,Future负责获取结果。
Callable接口类似于Runnable,不过Runnable没有返回值。

Callable任务被执行,除了可以返回执行结果之外,如果任务发生异常,这个异常也可以被Future获取,即Future可以拿到异步执行任务各种结果。

通过深入分析FutureTask(Future的实现类)来看看案例中的逻辑是如何实现的:
Callable任务执行完成后返回一个FutureTask对象,FutureTask实现了Runnable和 Future接口。

1.通过submit提交任务后,任务被封装成一个FutureTask对象。

2.因为FutureTask实现了Runable接口,可以通过线程池的execute执行,这个过程后续会说明。

3.主线程执行FutureTask.get方法,导致主线程阻塞,看看是如何实现的:

如果FutureTask的状态state小于等于COMPLETING,awaitDone方法最终会通过 LockSupport.park阻塞主线程。

4.线程池中的工作线程执行FutureTask的run方法,代码如下:

5.FutureTask的run方法中,如果任务执行成功,执行set(v),设置正常返回值,否则执行setException(e)设置异常,其中唤醒主线程的奥秘就在这里中,一起来看下是如何实现的。

1、 把正常返回值或执行期间捕获的异常赋值给outcome。
2、设置FutureTask的状态为NORMAL或EXCEPTIONAL。
3、通过LockSupport.unpark(t)唤醒主线程。

任务提交

向线程池提交任务有两种:

1.execute():用于提交不需要返回值的任务,这个方式无法判断任务是否执行成功。
executor.execute(runnableTask);

2.submit():用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个Future对象,通过这个对象可以判断任务是否执行成功。

大家注意到没有,我对两个方法的参数用了不同的变量,是因为方便大家的理解,execute提交的任务需要实现Runnable接口,而submit提交的任务需要实现Callable接口。

实现原理

接下去一起进入线程池内部的实现细节。

ctl这个变量,第一眼看上去,完全不知所云,其实它是用来描述线程池的状态:整数的高3位表示线程池的运行状态、低29位用来描述工作线程(后面会讲到)数量,最多表示2^29 – 1,当然实际应用中不可能创建这么多线程。不要问我为什么要这么设计,我猜,实在猜不出来,大概位运算效率高吧。其中,线程池的运行状态有如下几种:

1.RUNNING : 接受新任务并且处理已经进入阻塞队列的任务。

2.SHUTDOWN : 不接受新任务,但是处理已经进入阻塞队列的任务。

3.STOP : 不接受新任务,不处理已经进入阻塞队列的任务并且中断正在运行的任务。

4.TIDYING : 所有的任务都已经终止,workerCount为0, 线程转化为TIDYING状态并且调用terminated钩子函数 。

5.TERMINATED: terminated钩子函数已经运行完成。
当向线程池提交一个任务时,线程池是如何处理这个任务?先看示意图和代码实现:

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1.如果当前运行的线程数少于corePoolSize,则创建新的工作线程处理任务,否则进入步骤2。

2.如果线程池处于运行状态,则把任务放入BlockingQueue中,如果可用工作线程为0时,则创建新的工作线程,处理BlockingQueue的任务。

3.如果无法将任务加入到BlockingQueue,则创建新的线程处理任务,前提是目前运行的线程数小于maximumPoolSize,否则进入步骤4 任务被拒绝。

由于工作线程时存放在HashSet中的,所以在访问工作线程的时候,需要进行加锁操作。

以前我有一个疑问:为什么线程池中的一个线程在生命周期内可以连续执行多个任务?按理说线程执行完之后,理应被回收销毁。

线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker:

从上面可以看出,工作线程Worker继承了同步器AQS,对同步器AQS不了解的可以看看深入浅出java同步器,同时还实现Runable接口,为什么要这么设计?因为在线程池创建工作线程worker成功后,直接调用work.start()方法启动该线程(即在worker实例中初始化的线程),并在runWorker方法中传递了自身实例,接下去让我们看看线程池的核心方法runWorker:

从上述实现可以看出,

1.工作线程开始执行任务之前,先释放锁(设置state为0),表示允许中断。

2.如果当前任务为空,则通过getTask从阻塞队列中获取任务。如果线程池状态或配置参数改变,导致getTask返回null,或者其它内部错误抛出异常,会触发processWorkerExit方法。

3.在工作线程执行任务之前,需要获取锁。其实我没明白这里为什么要获取锁,注释上是说为了防止在任务执行期间,其它线程中断,了解的同学可以留言告知,不慎感激。

4.每个任务执行时都会触发beforeExecute操作,用户可以自定义任务执行前的操作,如果beforeExecute抛出异常,就不会执行任务了。

5.假设beforeExecute和task都执行完成,会触发afterExecute操作,这个方法也可以自定义用户操作。

工作线程在执行完当前任务后,通过while循环,从阻塞队列中获取任务。

1.workQueue.take()方法,如果阻塞队列中没有任务,当前工作线程在阻塞队列的条件变量上等待挂起。

2.workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)方法,如果在keepAliveTime时间内,阻塞队列还是没有任务,返回null。

总结

合理的利用线程池,可以给我们带来以下好处:

1.降低资源消耗。
2.提高响应速度。
3.提高线程的可管理性。

线程是稀缺资源,如果无限制的创建,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的分配、调优和监控。

ThreadPoolExecutor是线程池框架的一个核心类,通过对源码的分析,可以知道其对资源进行了复用,并非无限制的创建线程,可以有效的减少线程创建和切换的开销。

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关于作者:占小狼

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