十二、Java中的线程池

转《Java并发编程的艺术》

1.线程池的实现原理

线程池的主要处理流程

ThreadPoolExecutor执行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。

2.源码分析

public void execute(Runnable command) {
  if (command == null)
    throw new NullPointerException();
  // 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
  if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
  // 如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。
  if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
    if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
      ensureQueuedTaskHandled(command);
  } 
  // 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，
  // 则创建一个线程执行任务。
  else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
    // 抛出RejectedExecutionException异常
    reject(command); // is shutdown or saturated
  }
}

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。

public void run() {
  try {
    Runnable task = firstTask;
    firstTask = null;
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
      runTask(task);
      task = null;
    }
  } finally {
    workerDone(this);
  }
}

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。

3.线程池的使用

3.1 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。

3.2 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。

threadsPool.execute(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
      // TODO Auto-generated method stub
  }
});

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。

Future