Java并发基础复习笔记：线程池

目录

一、线程池介绍

二、任务

1. 常用的任务相关接口与类

2. FutureTask的实现

三、线程池的使用

1. 概述

2. 创建线程池

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一、线程池介绍

如果不使用线程池，编程人员则需要为每一个不在本线程执行的任务新建一个线程，线程的创建开销很大，且如果线程数量远大于cpu核数则频繁的上下文切换会导致程序执行效率大幅降低。

线程池维护了一个任务队列和若干线程，它自动地将任务分配给池中的线程执行，编程人员只需要将新的任务提交给线程池即可。线程池会按照预先设定好的参数决定维护几个线程，什么时候新建线程，什么时候销毁线程。

一般来说，为线程池提供一个Rannable，就会有一个线程调用run方法。当run方法退出时，这个线程不会死亡，而是留在池中为下一个请求提供服务。

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二、任务

1. 常用的任务相关接口与类

线程池会维护一个任务队列，调用线程池的submit方法可以将Runnable或者Callable提交给任务队列，submit会立即返回一个Future对象，通过这个Future对象可以获取结果或取消任务。

1. Runnable接口：Runnable封装一个异步运行的任务，像一个没有参数和返回值的异步方法，只有一个run方法
2. Callable接口：与Runnable接口类似，但是有返回值，只有一个call方法
3. Future接口：Future保存异步计算的结果
4. RunnableRuture接口：继承了Runnable接口后Future接口
5. FutureTask类：实现了RunnableFuture接口，可以用它来运行Callable任务

/* Runnable接口 */

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

/* Callabel接口 */

@FunctionalInterface
public interface Callable {
    V call() throws Exception;
}

public interface Future {
    /* 如果任务还没执行则取消，如果正在执行且mayInterruptIfRunning为真则中断线程 */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    /* 任务是否被取消 */
    boolean isCancelled();
    /* 任务是否执行完毕 */
    boolean isDone();
    /* 阻塞直到任务执行结束，获取结果 */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    /* 同上，但超时抛出TimeoutException异常 */
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

可以通过FutureTask类执行Callable，示例代码如下：

Callable task = ...;
var futureTask = new FutureTask(task);
var t = new Thread(futureTask);  // 因为FutureTask实现了Runnable接口
t.start();
. . .
Integer result = futureTask.get();

2. FutureTask的实现

主要的数据成员：

• private volatile int state;  保存自己的状态，构造函数中初始为NEW；状态分别为：NEW、COMPLETING、NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTING、INTERRUPTED，值从0到6；get方法、isCancelled方法就是通过这个状态来判断是否运行完毕（如果没运行完就阻塞等待，如果运行完就返回outcome）或是否取消（如果state的值大于CANCELLED则判定为取消）
• private Callable callable;  在构造函数中初始化（通过传入的Callable或Runnable和V），在run方法中调用其call方法
• private Object outcome;  在run方法中调用callable.call()，如果有异常抛出则赋值为异常，如果正常运行则赋值为其返回值
• private volatile Thread runner;  运行这个FutureTask的线程，在run方法中通过Thread.currentThread()初始化

run() 方法实现如下：

public void run() {
    if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                    null, Thread.currentThread()))  // 初始化runner，失败则返回
        return;
    try {
        Callable c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;                    // 是否顺利执行（无异常）
            try {
                result = c.call();          // 执行任务
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);           // 产生异常，将outcome设置为异常，并更新状态
            }
            if (ran)
                set(result);                // 没有异常，将outcome设置为结果，并更新状态
        }
    } finally {
        // runner must be non-null until state is settled to
        // prevent concurrent calls to run()
        runner = null;
        // state must be re-read after nulling runner to prevent
        // leaked interrupts
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

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三、线程池的使用

1. 概述

JDK提供了一套Executor框架来方便开发人员使用线程池，它的核心成员如下：

以上成员均在java.util.concurrent包中，是JDK并发包的核心类。其中ThreadPoolExector表示一个线程池，Executors类是一个工厂类，通过newXXX静态方法可以返回不同设定的ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor线程池对象。

Executors类的newXXX方法返回ExecutorService或ScheduledExecutorService对象（分别由ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor实现），开发人员调用execute方法提交Runnable任务，调用submit方法提交Callable任务并通过返回的Future对象获取返回值，调用shutdown方法关闭服务（线程池处理完已提交任务后，不再接受新任务），调用schedule方法延迟执行或定期执行任务。

2. 创建线程池

我们一般通过调用Executors类的静态方法创建线程池，而不是直接去new ThreadPoolExecutor或new ScheduledThreadPoolExecutor，ThreadPoolExecutor的构造方法如下（比较复杂，简单介绍）：

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

其中corePoolSize指定线程池中线程的数量，maximumPoolSize指定线程池中最大线程数量，keepAliveTime指定当线程池线程数超过corePoolSize时多余的线程的存活时间，unit为keepAliveTime的单位，workQueue为任务队列（保存被提交但尚未执行的任务，是一个BlockingQueue接口的对象，内置有多种不同的类型，比如：有界的ArrayBlockingQueue、无界的LinkedBlockingQueue，能处理优先级的PriorityBlockingQueue，没有容量直接提交的SynchronousQueue），threadFactory是线程工厂（用来创建线程，是一个接口，有一个newThread方法），handler指定拒绝策略（任务过多时如何处理）。

Executors中常用的静态工厂方法如下：

• ExecutorService  newCachedThreadPool ()：返回一个缓存线程池，必要时创建新线程，空闲线程保留60s（不常用，因为不确定会产生多少线程，如果频繁提交任务则会导致线程太多，效率降低）
• ExecutorService  newFixedThreadPool (int nThreads)：返回一个固定数目的线程池，线程一直保留（比较常用，结合可用内核数和程序需求设定线程数）
• ExecutorService  newSingleThreadExecutor ()：只有一个线程，顺序执行队列中的任务
• ScheduledExecutorService  newScheduledThreadPool (int corePoolSize)：用于调度执行的固定线程池
• ScheduledExecutorService  newSingleThreadScheduledExecutor ()：只有一个线程，用于调度执行（一般用来做定时任务或周期性任务，替代Timer类）