9.Java中的线程池

Java并发编程的艺术笔记

• 1.并发编程的挑战
• 2.Java并发机制的底层实现原理
• 3.Java内存模型
• 4.Java并发编程基础
• 5.Java中的锁的使用和实现介绍
• 6.Java并发容器和框架
• 7.Java中的12个原子操作类介绍
• 8.Java中的并发工具类
• 9.Java中的线程池
• 10.Executor框架

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前言

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。

• 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。
• 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。
• 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。

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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？
本文来看一下线程池的主要处理流程，处理流程图下图所示。

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。

• 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。
• 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。
• 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() 方法的示意图如下：

ThreadPoolExecutor执行示意图

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

• 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）。上图1
• 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。上图2
• 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）。上图3
• 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。上图4

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 上图2 ，而 上图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：

  public void execute(Runnable command) {
      if (command == null)
          throw new NullPointerException();
  
      int c = ctl.get();
      if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
          // 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 (addWorker(command, true))
              return;
          c = ctl.get();
      }
  
      // 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 (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
          int recheck = ctl.get();
          if (!isRunning(recheck) && remove(command))
              reject(command);
          else if (workerCountOf(recheck) == 0)
              addWorker(null, false);
      } else if (!addWorker(command, false))
          // 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.
  
          // 抛出RejectedExecutionException异常
          reject(command);
  }
  
  

• 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下：

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图

线程池中的线程执行任务分两种情况：

• 在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
• 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。

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线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime,
                unit, workQueue, threadFactory, handler);

创建一个线程池时需要输入几个参数：

• 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。

• 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。

• keepAliveTime（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。

• 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）
  • 纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）

• workQueue（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。

• 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();
  
  

• 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。

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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