温故知新-java多线程&深入理解线程池

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摘要

本文主要回顾java的JDK中的多线程的常见用法和深入理解线程池；

java中的线程

• 创建线程的3种方式

1. 通过实现 Runnable 接口来创建线程
2. 通过继承Thread来创建线程
3. 通过 Callable 和 Future 创建线程

• 开启线程的方法
  • public void start() 使该线程开始执行；Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。
  • public void run() 如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的，则调用该 Runnable 对象的 run 方法；否则，该方法不执行任何操作并返回。
• 线程的状态

public enum State {
   NEW,
   RUNNABLE,
   BLOCKED,
   WAITING,
   TIMED_WAITING,
   TERMINATED;
}

java中的线程池

线程池技术

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的工具，经常出现在多线程服务器中，如MySQL等，追根溯源-编程语言&性能优化 这篇文档也指出优化性能的一种手段就是池化技术，今天就稍微展开一下，池话技术；

• 池化的表现形式

池化技术在计算机领域中的表现为：统一管理IT资源，包括服务器、存储、和网络资源等等。通过共享资源，使用户在低投入中获益。除去线程池，还有其他比较典型的几种使用策略包括：
- 内存池(Memory Pooling)：预先申请内存，提升申请内存速度，减少内存碎片。
- 连接池(Connection Pooling)：预先申请数据库、redis连接，提升申请连接的速度，降低系统的开销。
- 实例池(Object Pooling)：循环使用对象，减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。

• 线程池解决的问题

解决的核心问题就是资源管理问题。在并发环境下，系统不能够确定在任意时刻中，有多少任务需要执行，有多少资源需要投入。

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这种不确定性将带来以下若干问题

• 频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能会非常巨大。
• 对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
• 系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。

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反之就是解决的问题

• 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
• 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
• 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，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。

线程池的实现原理

简述

Java中的线程池核心实现类是ThreadPoolExecutor，JDK 1.8的源码重的ThreadPoolExecutor的UML类图，了解下ThreadPoolExecutor的继承关系。

• Executor

void execute(Runnable command);
只有一个execute方法，只需提供Runnable对象

• ExecutorService

ExecutorService接口继承了Executor接口，并声明了一些方法：submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等;

• AbstractExecutorService

抽象类AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口，基本实现了ExecutorService中声明的所有方法；

• ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService，execute()、submit()、shutdown()、shutdownNow()

ThreadPoolExecutor是如何运行的？

ThreadPoolExecutor是如何运行，如何同时维护线程和执行任务的呢？

线程池在内部实际上构建了一个生产者消费者模型，将线程和任务两者解耦，并不直接关联，从而良好的缓冲任务，复用线程。线程池的运行主要分成两部分：任务管理、线程管理。任务管理部分充当生产者的角色，当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转，策略如下：
（1）直接申请线程执行该任务；
（2）缓冲到队列中等待线程执行；
（3）拒绝该任务。
线程管理部分是消费者，它们被统一维护在线程池内，根据任务请求进行线程的分配，当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。

线程池运行的状态和线程数量

• 线程池运行的状态和线程数量

状态和线程数量是伴随着线程池的运行，由内部来维护。线程池内部使用一个变量维护两个值：运行状态(runState)和线程数量 (workerCount)。在具体实现中，线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护放在了一起
英文描述：The main pool control state, ctl, is an atomic integer packing two conceptual fields workerCount, indicating the effective number of threads runState, indicating whether running, shutting down etc

--- 线程池运行的状态和数量---
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

---状态值---
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

• 状态切换
  

任务执行机制

任务调度是线程池的主要入口，当用户提交了一个任务，接下来这个任务将如何执行都是由这个阶段决定的。任务的调度都是由execute方法完成的，这部分完成的工作是：检查现在线程池的运行状态、运行线程数、运行策略，决定接下来执行的流程，是直接申请线程执行，或是缓冲到队列中执行，亦或是直接拒绝该任务。其执行过程如下：

• 首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
• 如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
• 如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
• 如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
• 如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。
• JDK源码如下：

    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        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))
            reject(command);
    }

队列缓存

任务缓冲模块是线程池能够管理任务的核心部分。通过源码可以看到缓存使用的队列是BlockingQueue；

private final BlockingQueue workQueue;

• 各种队列的特点
  
• 拒绝策略
  

Worker线程管理

Worker线程

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
	/** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
	final Thread thread;
	/** Initial task to run.  Possibly null. */
	Runnable firstTask;
	/** Per-thread task counter */
	volatile long completedTasks;
	...
	...
}

Worker这个工作线程，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。

​#### 线程的生命周期
线程池需要管理线程的生命周期，需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用，这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。

/**
* Set containing all worker threads in pool. Accessed only when
* holding mainLock.
*/
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

​Worker是通过继承AQS，使用AQS来实现独占锁这个功能。关于AQS，改天专门写一篇博客；

• Worker线程增加

通过阅读源码可以看到线程池是通过addWorker添加一个任务，添加有三种策略。

• addWorker方法有两个参数：firstTask、core。
• firstTask参数用于指定新增的线程执行的第一个任务，该参数可以为空；
• core参数为true表示在新增线程时会判断当前活动线程数是否少于corePoolSize，false表示新增线程前需要判断当前活动线程数是否少于maximumPoolSize

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
...
}

添加的策略

/*
 * Proceed in 3 steps:
 *
 * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
 * start a new thread with the given command as its first
 * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
 * workerCount, and so prevents false alarms that would add
 * threads when it shouldn't, by returning false.
 *
 * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
 * to double-check whether we should have added a thread
 * (because existing ones died since last checking) or that
 * the pool shut down since entry into this method. So we
 * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
 * stopped, or start a new thread if there are none.
 *
 * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
 * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
 * and so reject the task.
 */

添加时的检查

/**
 * Checks if a new worker can be added with respect to current
 * pool state and the given bound (either core or maximum). If so,
 * the worker count is adjusted accordingly, and, if possible, a
 * new worker is created and started, running firstTask as its
 * first task. This method returns false if the pool is stopped or
 * eligible to shut down. It also returns false if the thread
 * factory fails to create a thread when asked.  If the thread
 * creation fails, either due to the thread factory returning
 * null, or due to an exception (typically OutOfMemoryError in
 * Thread.start()), we roll back cleanly.
 */

• Worker线程执行任务
  在Worker类中的run方法调用了runWorker方法来执行任务，runWorker方法的执行过程如下：

1. while循环不断地通过getTask()方法获取任务。
2. getTask()方法从阻塞队列中取任务。
3. 如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。
4. 执行任务。
5. 如果getTask结果为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法，销毁线程。

/** Delegates main run loop to outer runWorker  */
public void run() {
    runWorker(this);
}

final void runWorker(Worker w) {
	Thread wt = Thread.currentThread();
	Runnable task = w.firstTask;
	w.firstTask = null;
	w.unlock(); // allow interrupts
	boolean completedAbruptly = true;
	try {
		while (task != null || (task = getTask()) != null) {
			w.lock();
			// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
			// if not, ensure thread is not interrupted.  This
			// requires a recheck in second case to deal with
			// shutdownNow race while clearing interrupt
			if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
					(Thread.interrupted() &&
						runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
				!wt.isInterrupted())
				wt.interrupt();
			try {
				beforeExecute(wt, task);
				Throwable thrown = null;
				try {
					task.run();
				} catch (RuntimeException x) {
					thrown = x;
					throw x;
				} catch (Error x) {
					thrown = x;
					throw x;
				} catch (Throwable x) {
					thrown = x;
					throw new Error(x);
				} finally {
					afterExecute(task, thrown);
				}
			} finally {
				task = null;
				w.completedTasks++;
				w.unlock();
			}
		}
		completedAbruptly = false;
	} finally {
		processWorkerExit(w, completedAbruptly);
	}
}

• Worker线程回收
  线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收，线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用，防止这部分线程被JVM回收，当线程池决定哪些线程需要回收时，只需要将其引用消除即可。Worker被创建出来后，就会不断地进行轮询，然后获取任务去执行，核心线程可以无限等待获取任务，非核心线程要限时获取任务。当Worker无法获取到任务，也就是获取的任务为空时，循环会结束，Worker会主动消除自身在线程池内的引用，从源码中可以看到，线程回收的工作是在processWorkerExit方法完成的。

final void runWorker(Worker w) {
	try {

	} finally {
		processWorkerExit(w, completedAbruptly);
	}
}

建线程池

• 创建线程池的四个方法

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

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

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
   return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

• newSingleThreadExecutor

newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

• newFixedThreadPool

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。

• newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，线程的最大数量是Integer.MAX_VALUE；

• newScheduledThreadPool

创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。线程的最大数量是Integer.MAX_VALUE；

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• 上面的四个最后都会调用ThreadPoolExecutor

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
	int maximumPoolSize,
	long keepAliveTime,
	TimeUnit unit,
	BlockingQueue < Runnable > workQueue,
	ThreadFactory threadFactory,
	RejectedExecutionHandler handler) {
	if (corePoolSize < 0 ||
		maximumPoolSize <= 0 ||
		maximumPoolSize < corePoolSize ||
		keepAliveTime < 0)
		throw new IllegalArgumentException();
	if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
		throw new NullPointerException();
	this.corePoolSize = corePoolSize;
	this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
	this.workQueue = workQueue;
	this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
	this.threadFactory = threadFactory;
	this.handler = handler;
}

• int corePoolSize: 核心线程池大小
• int maximumPoolSize: 最大核心线程池大小
• long keepAliveTime: 超时了没有人调用就会释放
• TimeUnit unit: 超时单位
• BlockingQueue < Runnable > workQueue: 阻塞队列
• ThreadFactory threadFactory: 线程工厂
• RejectedExecutionHandler handler: 拒绝策略

就是BlockingQueue的四种拒绝策略

参考

深入理解Java线程池：ThreadPoolExecutor
Java 多线程编程
Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践
从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用

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