Java线程池使用之ThreadPoolExecutor

Java线程池之ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor是我们使用Java线程池的核心，它所处的体系如下：

Executor体系结构

线程池状态

ThreadPoolExecutor 使用 int 的高 3 位来表示线程池状态，低 29 位表示线程数量

• 从数字上比较线程池的终结程度，TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING

• 这些信息存储在一个原子变量 ctl 中，目的是将线程池状态与线程个数合二为一，这样就可以用一次 cas 原子操作进行赋值

  • // c 为旧值， ctlOf 返回结果为新值
    ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))));
    // rs 为高 3 位代表线程池状态， wc 为低 29 位代表线程个数，ctl 是合并它们
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; //合并}
    

构造方法

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
 int maximumPoolSize,
 long keepAliveTime,
 TimeUnit unit,
 BlockingQueue<Runnable> workQueue,
 ThreadFactory threadFactory,
 RejectedExecutionHandler handler)

通过构造方法，我们可以分析Java线程池的几个核心要素

• corePoolSize 核心线程数目 (最多保留的线程数)
• maximumPoolSize 最大线程数目
• keepAliveTime 生存时间 - 针对救急线程
• unit 时间单位 - 针对救急线程
• workQueue 工作队列/阻塞队列
• threadFactory 线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字
• handler 拒绝策略

事实上，你如果自己实现过一个线程池，你将更好明白上面各个参数所代表的实际意义，并能更好的理解线程池相关概念

推荐：

手把手教你写出一个Java线程池

线程池工作方式

线程池可以抽象成如下模型

• 线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务。

• 当线程数达到 corePoolSize 并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue排队，直到有空闲的线程。

• 如果队列选择了有界队列，那么任务超过了队列大小时，会创建 maximumPoolSize - corePoolSize(图中m-c) 数目的线程来救急（图中救急线程）。即workQueue的优先级大于救急线程

• 如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现，其它著名框架也提供了实现

  • AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认策略
  • CallerRunsPolicy 让调用者运行任务
  • DiscardPolicy 放弃本次任务
  • DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之
  • Dubbo 的实现，在抛出 RejectedExecutionException 异常之前会记录日志，并 dump 线程栈信息，方便定位问题
  • Netty 的实现，是创建一个新线程来执行任务
  • ActiveMQ 的实现，带超时等待（60s）尝试放入队列，类似我们之前自定义的拒绝策略
  • PinPoint 的实现，它使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中每种拒绝策略

• 当高峰过去后，超过corePoolSize 的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由

keepAliveTime 和 unit 来控制。

Java中拒绝策略的实现类如下：

统一继承自RejectExecutionHandler接口

创建各种线程池

由于ThreadPoolExecutor的参数过多，JDK Executors 类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池

• newFixedThreadPool

    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

特点：

• 第一个参数为指定核心容量，第二个参数可以自定义命名方式

• 核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需超时时间

• 阻塞队列是无界的（LinkedBlockingQueue），可以放任意数量的任务

• 适用于任务量已知，相对耗时的任务

• newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
 return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
 60L, TimeUnit.SECONDS,
 new SynchronousQueue<Runnable>());
}

特点：

• 核心线程数是 0， 最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，意味着

  • 全部都是救急线程（60s 后可以回收）
  • 救急线程可以无限创建

• 队列采用了 SynchronousQueue 实现，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交

  货）

整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲 1分钟后释放线程。 适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

• newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
 return new FinalizableDelegatedExecutorService
 (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
 new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

使用场景：

希望多个任务排队执行。线程数固定为 1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这唯一的线程也不会被释放。

与自己创建一个线程去执行任务的区别：

自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一

个线程，保证池的正常工作

• Executors.newSingleThreadExecutor() 线程个数始终为1，不能修改
  • FinalizableDelegatedExecutorService 应用的是装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，因此不能调用 ThreadPoolExecutor 中特有的方法
• Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1，以后还可以修改
  • 对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改

提交任务给线程池

// 执行任务
void execute(Runnable command);
// 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
// 提交 tasks 中所有任务
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
 throws InterruptedException;
// 提交 tasks 中所有任务，带超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
 long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException;
// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
    throws InterruptedException, ExecutionException;
// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
 long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

关闭线程池

void shutdown();

/*
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
void shutdown();

源码分析：

public void shutdown() {
 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
 mainLock.lock();
 try {
 checkShutdownAccess();
 // 修改线程池状态
 advanceRunState(SHUTDOWN);
 // 仅会打断空闲线程，还是会继续处理阻塞队列中的任务
 interruptIdleWorkers();
 onShutdown(); // 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor
 } finally {
 mainLock.unlock();
 }
 // 尝试终结(没有运行的线程可以立刻终结，如果还有运行的线程也不会等，让线程自己去运行结束)
 tryTerminate();
}

List shutdownNow();

/*
线程池状态变为 STOP
- 不会接收新任务
- 会将队列中的任务返回
- 并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务
*/
List<Runnable> shutdownNow();

public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
 mainLock.lock();
 try {
 checkShutdownAccess();
 // 修改线程池状态
 advanceRunState(STOP);
 // 打断所有线程
 interruptWorkers();
 // 获取队列中剩余任务
 tasks = drainQueue();
 } finally {
 mainLock.unlock();
 }
 // 尝试终结
 tryTerminate();
 return tasks;
}

其他方法：

// 不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
boolean isShutdown();
// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();
// 调用 shutdown 后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事
情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

其他线程池

任务调度线程池

在『任务调度线程池』功能加入之前，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能，Timer 的优点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务

ScheduledExecutorService基本使用：

        System.out.println("主线程开始运行   "+new Date());
		//线程池两个线程处理两个任务
		ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
        // 添加两个任务，希望它们都在 1s 后执行
        executor.schedule(() -> {
            System.out.println("任务1，执行时间：" + new Date());
            try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { }
        }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        executor.schedule(() -> {
            System.out.println("任务2，执行时间：" + new Date());
        }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

主线程开始运行 Sat Jun 20 14:22:38 CST 2020
任务2，执行时间：Sat Jun 20 14:22:40 CST 2020
任务1，执行时间：Sat Jun 20 14:22:40 CST 2020

scheduleAtFixedRate():以一定频率反复执行一个任务

        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        System.out.println("start..."+new Date());

        /*第一个1 - initialDelay:初始延迟时间*/
        /*第二个1 - period:间隔时间*/
        pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("running"+new Date());
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

start…Sat Jun 20 14:27:00 CST 2020
runningSat Jun 20 14:27:01 CST 2020
runningSat Jun 20 14:27:02 CST 2020
runningSat Jun 20 14:27:03 CST 2020
runningSat Jun 20 14:27:04 CST 2020
runningSat Jun 20 14:27:05 CST 2020

如果任务执行时间超过了间隔时间呢？比如这样

        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        System.out.println("start..."+new Date());
        pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("running..."+new Date());
            //模拟单个线程执行时间超过
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
        /*第一个1 - initialDelay:初始延迟时间*/
        /*第二个1 - period:间隔时间*/

结果：

start…Sat Jun 20 14:32:15 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:32:16 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:32:18 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:32:20 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:32:22 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:32:24 CST 2020

分析可知，构造时指定的间隔“一”将失效，以线程具体运行时间为真实间隔单位

解决方案-scheduleWithFixedDelay

        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        System.out.println("start..."+new Date());
        pool.scheduleWithFixedDelay(()-> {
            System.out.println("running..."+new Date());

            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
        /*第一个1 - initialDelay:初始延迟时间*/
        /*第二个1 - period:间隔时间*/

结果：

start…Sat Jun 20 14:35:43 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:35:44 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:35:47 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:35:50 CST 2020
running…Sat Jun 20 14:35:53 CST 2020

这回真实间隔时间就是构造指定的延迟“1”+线程执行时间“2” = 3s

评价

整个线程池表现为：线程数固定，任务数多于线程数时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这些线

程也不会被释放。用来执行延迟或反复执行的任务

异常处理

在线程池中，单个线程出现异常，不会抛出，我们可以采取：

• 主动捕获异常

          ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
          pool.submit(() -> {
              try {
                  System.out.println("task1");
                  int i = 1 / 0;
              } catch (Exception e) {
                  System.out.println("error:"+e);
              }
          });
  

  结果：

  task1
  error:java.lang.ArithmeticException: / by zero

• 使用带有返回值的任务Callable与Future

          ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
          Future<Boolean> f = pool.submit(() -> {
              System.out.println("task1");
              int i = 1 / 0;
              return true;
          });
          System.out.println("result:"+f.get());
  

  结果：

  task1
  Exception in thread “main” java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.ArithmeticException: / by zero
  at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:122)
  at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
  at com.Thread.TestThreadPool.main(TestThreadPool.java:19)
  Caused by: java.lang.ArithmeticException: / by zero
  at com.Thread.TestThreadPool.lambda$main$0(TestThreadPool.java:16)atjava.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)atjava.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)atjava.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)