Java源码解析 - ThreadPoolExecutor 线程池
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1 线程池的好处
线程使应用能够更加充分合理地协调利用CPU、内存、网络、I/O等系统资源.
线程的创建需要开辟虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等线程私有的内存空间;
在线程销毁时需要回收这些系统资源.
频繁地创建和销毁线程会浪费大量的系统资源,增加并发编程风险.
在服务器负载过大的时候,如何让新的线程等待或者友好地拒绝服务?
这些都是线程自身无法解决的;
所以需要通过线程池协调多个线程,并实现类似主次线程隔离、定时执行、周期执行等任务.
线程池的作用包括:
●利用线程池管理并复用线程、控制最大并发数等
●实现任务线程队列缓存策略和拒绝机制
●实现某些与时间相关的功能
如定时执行、周期执行等
●隔离线程环境
比如，交易服务和搜索服务在同一台服务器上,分别开启两个线程池,交易线程的资源消耗明显要大;
因此,通过配置独立的线程池,将较慢的交易服务与搜索服务隔离开,避免各服务线程相互影响.
在开发中,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,降低创建和销毁线程造成的系统资源消耗
- 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,如果过多地创建,不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，导致使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
在了解线程池的基本作用后，我们学习一下线程池是如何创建线程的
2 创建线程池
首先从ThreadPoolExecutor构造方法讲起,学习如何自定义ThreadFactory和RejectedExecutionHandler;
并编写一个最简单的线程池示例.
然后,通过分析ThreadPoolExecutor的execute和addWorker两个核心方法;
学习如何把任务线程加入到线程池中运行.
-
ThreadPoolExecutor 的构造方法如下
-
第1个参数: corePoolSize 表示常驻核心线程数
如果等于0,则任务执行完之后,没有任何请求进入时销毁线程池的线程;
如果大于0,即使本地任务执行完毕,核心线程也不会被销毁.
这个值的设置非常关键;
设置过大会浪费资源;
设置过小会导致线程频繁地创建或销毁. -
第2个参数: maximumPoolSize 表示线程池能够容纳同时执行的最大线程数
从第1处来看,必须>=1.
如果待执行的线程数大于此值,需要借助第5个参数的帮助,缓存在队列中.
如果maximumPoolSize = corePoolSize,即是固定大小线程池. -
第3个参数: keepAliveTime 表示线程池中的线程空闲时间
当空闲时间达到keepAliveTime时,线程会被销毁,直到只剩下corePoolSize个线程;
避免浪费内存和句柄资源.
在默认情况下,当线程池的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才起作用.
但是当ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut = true时,核心线程超时后也会被回收. -
第4个参数: TimeUnit表示时间单位
keepAliveTime的时间单位通常是TimeUnit.SECONDS. -
第5个参数: workQueue 表示缓存队列
当请求的线程数大于maximumPoolSize时,线程进入BlockingQueue.
后续示例代码中使用的LinkedBlockingQueue是单向链表,使用锁来控制入队和出队的原子性;
两个锁分别控制元素的添加和获取,是一个生产消费模型队列. -
第6个参数: threadFactory 表示线程工厂
它用来生产一组相同任务的线程;
线程池的命名是通过给这个factory增加组名前缀来实现的.
在虚拟机栈分析时,就可以知道线程任务是由哪个线程工厂产生的. -
第7个参数: handler 表示执行拒绝策略的对象
当超过第5个参数workQueue的任务缓存区上限的时候,就可以通过该策略处理请求,这是一种简单的限流保护.
友好的拒绝策略可以是如下三种:
(1 ) 保存到数据库进行削峰填谷;在空闲时再提取出来执行
(2)转向某个提示页面
(3)打印日志
2.1.1 corePoolSize(核心线程数量)
线程池中应该保持的主要线程的数量.即使线程处于空闲状态，除非设置了allowCoreThreadTimeOut这个参数,当提交一个任务到线程池时,若线程数量<corePoolSize,线程池会创建一个新线程放入works(一个HashSet)中执行任务,即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也还是会创建新线程
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,会尝试放入等待队列workQueue
如果调用线程池的prestartAllCoreThreads(),线程池会提前创建并启动所有核心线程
2.1.2 maximumPoolSize（线程池最大线程数）
线程池允许创建的最大线程数
若队列满,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放入works中执行任务,CashedThreadPool的关键,固定线程数的线程池无效
若使用了无界任务队列,这个参数就没什么效果
-
workQueue
存储待执行任务的阻塞队列，这些任务必须是Runnable的对象（如果是Callable对象，会在submit内部转换为Runnable对象） -
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.
- 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Linked-BlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列
-
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（拒绝策略）
当队列和线程池都满,说明线程池饱和,必须采取一种策略处理提交的新任务
策略默认AbortPolicy,表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：丢弃任务，抛出 RejectedExecutionException
- CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务,有反馈机制，使任务提交的速度变慢）。
- DiscardOldestPolicy
若没有发生shutdown,尝试丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务, 丢弃任务缓存队列中最老的任务，并且尝试重新提交新的任务 - DiscardPolicy:不处理,丢弃掉, 拒绝执行，不抛异常
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
/**
* Invokes the rejected execution handler for the given command.
* Package-protected for use by ScheduledThreadPoolExecutor.
*/
final void reject(Runnable command) {
// 执行拒绝策略
handler.rejectedExecution(command, this);
}
handler 构造线程池时候就传的参数，RejectedExecutionHandler的实例
RejectedExecutionHandler 在 ThreadPoolExecutor 中有四个实现类可供我们直接使用，当然，也可以实现自己的策略，一般也没必要。
//只要线程池没有被关闭，由提交任务的线程自己来执行这个任务
public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public CallerRunsPolicy() { }
/**
* Executes task r in the caller's thread, unless the executor
* has been shut down, in which case the task is discarded.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
}
// 不管怎样，直接抛出 RejectedExecutionException 异常
// 默认的策略，如果我们构造线程池的时候不传相应的 handler ，则指定使用这个
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public AbortPolicy() { }
/**
* Always throws RejectedExecutionException.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
* @throws RejectedExecutionException always
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
}
// 不做任何处理，直接忽略掉这个任务
public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
/**
* Creates a {@code DiscardPolicy}.
*/
public DiscardPolicy() { }
/**
* Does nothing, which has the effect of discarding task r.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
}
}
// 若线程池未被关闭
// 把队列队头的任务(也就是等待了最长时间的)直接扔掉，然后提交这个任务到等待队列中
public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public DiscardOldestPolicy() { }
/**
* Obtains and ignores the next task that the executor
* would otherwise execute, if one is immediately available,
* and then retries execution of task r, unless the executor
* is shut down, in which case task r is instead discarded.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param e the executor attempting to execute this task
*/
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
}
-
keepAliveTime（线程活动保持时间）
线程没有任务执行时最多保持多久时间终止
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）:指示第三个参数的时间单位；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）
从代码第2处来看，队列、线程工厂、拒绝处理服务都必须有实例对象;
但在实际编程中,很少有程序员对这三者进行实例化,而通过Executors这个线程池静态工厂提供默认实现;
那么Exceutors与ThreadPoolExecutor是什么关系呢?
Executors工厂类
ExecutorService 的抽象类AbstractExecutorService提供了submit、invokeAll 等方法的实现;
但是核心方法Executor.execute()并没有在这里实现.
因为所有的任务都在该方法执行,不同实现会带来不同的执行策略.
通过Executors的静态工厂方法可以创建三个线程池的包装对象
- ForkJoinPool、
- ThreadPoolExecutor
- ScheduledThreadPoolExecutor
● Executors.newWorkStealingPool
JDK8 引入,创建持有足够线程的线程池支持给定的并行度;
并通过使用多个队列减少竞争;
构造方法中把CPU数量设置为默认的并行度.
返回ForkJoinPool ( JDK7引入)对象,它也是AbstractExecutorService 的子类
● Executors.newCachedThreadPool
maximumPoolSize 最大可以至Integer.MAX_VALUE,是高度可伸缩的线程池.
若达到该上限,相信没有服务器能够继续工作,直接OOM.
keepAliveTime 默认为60秒;
工作线程处于空闲状态,则回收工作线程;
如果任务数增加,再次创建出新线程处理任务.
● Executors.newScheduledThreadPool
线程数最大至Integer.MAX_ VALUE,与上述相同,存在OOM风险.
ScheduledExecutorService接口的实现类,支持定时及周期性任务执行;
相比Timer,ScheduledExecutorService 更安全,功能更强大.
与newCachedThreadPool的区别是不回收工作线程.
● Executors.newSingleThreadExecutor
创建一个单线程的线程池,相当于单线程串行执行所有任务,保证按任务的提交顺序依次执行.
● Executors.newFixedThreadPool
输入的参数即是固定线程数;
既是核心线程数也是最大线程数;
不存在空闲线程,所以keepAliveTime等于0.
其中使用了 LinkedBlockingQueue, 但是没有设置上限!!!,堆积过多任务!!!
下面介绍LinkedBlockingQueue的构造方法
使用这样的无界队列,如果瞬间请求非常大,会有OOM的风险;
除newWorkStealingPool 外,其他四个创建方式都存在资源耗尽的风险.
不推荐使用其中的任何创建线程池的方法,因为都没有任何限制,存在安全隐患.
Executors中默认的线程工厂和拒绝策略过于简单,通常对用户不够友好.
线程工厂需要做创建前的准备工作,对线程池创建的线程必须明确标识,就像药品的生产批号一样,为线程本身指定有意义的名称和相应的序列号.
拒绝策略应该考虑到业务场景,返回相应的提示或者友好地跳转.
以下为简单的ThreadFactory 示例
上述示例包括线程工厂和任务执行体的定义;
通过newThread方法快速、统一地创建线程任务,强调线程一定要有特定意义的名称,方便出错时回溯.
- 单线程池：newSingleThreadExecutor()方法创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())。含义是池中保持一个线程，最多也只有一个线程，也就是说这个线程池是顺序执行任务的，多余的任务就在队列中排队。
- 固定线程池：newFixedThreadPool(nThreads)方法创建
池中保持nThreads个线程，最多也只有nThreads个线程，多余的任务也在队列中排队。
线程数固定且线程不超时
- 缓存线程池：newCachedThreadPool()创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue())。
含义是池中不保持固定数量的线程，随需创建，最多可以创建Integer.MAX_VALUE个线程（说一句，这个数量已经大大超过目前任何操作系统允许的线程数了），空闲的线程最多保持60秒，多余的任务在SynchronousQueue（所有阻塞、并发队列在后续文章中具体介绍）中等待。
为什么单线程池和固定线程池使用的任务阻塞队列是LinkedBlockingQueue()，而缓存线程池使用的是SynchronousQueue()呢？
因为单线程池和固定线程池中，线程数量是有限的，因此提交的任务需要在LinkedBlockingQueue队列中等待空余的线程；而缓存线程池中，线程数量几乎无限（上限为Integer.MAX_VALUE），因此提交的任务只需要在SynchronousQueue队列中同步移交给空余线程即可。
- 单线程调度线程池：newSingleThreadScheduledExecutor()创建，五个参数分别是 (1, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持1个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。
- 固定调度线程池：newScheduledThreadPool(n)创建，五个参数分别是 (n, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持n个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。
有一项技术可以缓解执行时间较长任务造成的影响，即限定任务等待资源的时间，而不要无限的等待
先看第一个例子，测试单线程池、固定线程池和缓存线程池（注意增加和取消注释）：
public class ThreadPoolExam {
public static void main(String[] args) {
//first test for singleThreadPool
ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
//second test for fixedThreadPool
// ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
//third test for cachedThreadPool
// ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
pool.execute(new TaskInPool(i));
}
pool.shutdown();
}
}
class TaskInPool implements Runnable {
private final int id;
TaskInPool(int id) {
this.id = id;
}
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is running phase-"+i);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is over");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
如图为排查底层公共缓存调用出错时的截图
绿色框采用自定义的线程工厂,明显比蓝色框默认的线程工厂创建的线程名称拥有更多的额外信息:如调用来源、线程的业务含义，有助于快速定位到死锁、StackOverflowError 等问题.
拒绝策略
下面再简单地实现一下RejectedExecutionHandler;
实现了接口的rejectedExecution方法,打印出当前线程池状态
在ThreadPoolExecutor中提供了四个公开的内部静态类
● AbortPolicy - 默认
丢弃任务并抛出RejectedExecutionException
● DiscardPolicy - 不推荐
丢弃任务,但不拋异常.
● DiscardOldestPolicy
抛弃队列中等待最久的任务,然后把当前任务加入队列中.
● CallerRunsPolicy
调用任务的run()方法绕过线程池直接执行.
根据之前实现的线程工厂和拒绝策略,线程池的相关代码实现如下
当任务被拒绝的时候，拒绝策略会打印出当前线程池的大小已经达到了maximumPoolSize=2,且队列已满,完成的任务数提示已经有1个(最后一行).
源码讲解
在ThreadPoolExecutor的属性定义中频繁地用位运算来表示线程池状态;
位运算是改变当前值的一种高效手段.
下面从属性定义开始
Integer 有32位;
最右边29位表工作线程数;
最左边3位表示线程池状态,可表示从0至7的8个不同数值
线程池的状态用高3位表示,其中包括了符号位.
五种状态的十进制值按从小到大依次排序为
RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING <TERMINATED
这样设计的好处是可以通过比较值的大小来确定线程池的状态.
例如程序中经常会出现isRunning的判断:
- 000-1111111111111111111111111;
类似于子网掩码,用于与运算;
得到左边3位,还是右边29位
用左边3位,实现5种线程池状态;
在左3位之后加入中画线有助于理解;
-
111 - 0000000000000000000000000000(十进制: -536, 870, 912);
该状态表 线程池能接受新任务
-
000 - 0000000000000000000000000(十进制: 0);
此状态不再接受新任务,但可继续执行队列中的任务
-
001 - 00000000000000000000000000(十进制: 536,870， 912);
此状态全面拒绝,并中断正在处理的任务
-
010 - 00000000000000000000000000.(十进制值: 1, 073, 741, 824);
该状态表 所有任务已经被终止
-
101 - 000000000000000000000000000(十进制值: 1, 610,612, 736)
该状态表 已清理完现场
与运算,比如 001 - 000000000000000000000100011 表 67个工作线程;
掩码取反: 111 - 00000000000000000000000.,即得到左边3位001;
表示线程池当前处于STOP状态
同理掩码 000 - 11111111111111111111,得到右边29位,即工作线程数
把左3位与右29位或运算,合并成一个值
我们都知道Executor接口有且只有一个方法execute();
通过参数传入待执行线程的对象.
下面分析ThreadPoolExecutor关于execute()方法的实现
线程池执行任务的方法如下
/**
* Executes the given task sometime in the future. The task
* may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
*
* If the task cannot be submitted for execution, either because this
* executor has been shutdown or because its capacity has been reached,
* the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.
*
* @param command the task to execute
* @throws RejectedExecutionException at discretion of
* {@code RejectedExecutionHandler}, if the task
* cannot be accepted for execution
* @throws NullPointerException if {@code command} is null
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* 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.
*/
// 返回包含线程数及线程池状态的Integer 类型数值
int c = ctl.get();
// 若工作线程数 < 核心线程数,则创建线程并执行当前任务
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
execute方法在不同的阶段有三次addWorker的尝试动作。
return;
// 若创建失败,为防止外部已经在线程池中加入新任务,在此重新获取一下
c = ctl.get();
}
// 若 工作线程数 >=核心线程数 或线程创建失败,则将当前任务放到工作队列中
// 只有线程池处于 RUNNING 态,才执行后半句 : 置入队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 只有线程池处于 RUNNING 态,才执行后半句 : 置入队列
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 若之前的线程已被消费完,新建一个线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
// 核心线程和队列都已满,尝试创建一个新线程
}
else if (!addWorker(command, false))
// 抛出RejectedExecutionException异常
// 若 addWorker 返回是 false,即创建失败,则唤醒拒绝策略.
reject(command);
}
发生拒绝的理由有两个
( 1 )线程池状态为非RUNNING状态
(2)等待队列已满。
下面继续分析addWorker
addWorker 源码解析
根据当前线程池状态,检查是否可以添加新的任务线程,若可以则创建并启动任务;
若一切正常则返回true;
返回false的可能性如下
- 线程池没有处于
RUNNING态 - 线程工厂创建新的任务线程失败
参数
- firstTask
外部启动线程池时需要构造的第一个线程,它是线程的母体 - core
新增工作线程时的判断指标- true
需要判断当前RUNNING态的线程是否少于corePoolsize - false
需要判断当前RUNNING态的线程是否少于maximumPoolsize
- true
这段代码晦涩难懂,部分地方甚至违反代码规约,但其中蕴含丰富的编码知识点
-
第1处,配合循环语句出现的label,类似于goto 作用
label 定义时,必须把标签和冒号的组合语句紧紧相邻定义在循环体之前,否则会编译出错.
目的是 在实现多重循环时能够快速退出到任何一层;
出发点似乎非常贴心,但在大型软件项目中,滥用标签行跳转的后果将是灾难性的.
示例代码中在retry下方有两个无限循环;
在workerCount加1成功后,直接退出两层循环. -
第2处,这样的表达式不利于阅读,应如是
-
第3处,与第1处的标签呼应,
AtomicInteger对象的加1操作是原子性的;
break retry表 直接跳出与retry相邻的这个循环体 -
第4处,此
continue跳转至标签处,继续执行循环.
如果条件为false,则说明线程池还处于运行状态,即继续在for(;)循环内执行. -
第5处,
compareAndIncrementWorkerCount方法执行失败的概率非常低.
即使失败,再次执行时成功的概率也是极高的,类似于自旋原理.
这里是先加1,创建失败再减1,这是轻量处理并发创建线程的方式;
如果先创建线程,成功再加1,当发现超出限制后再销毁线程,那么这样的处理方式明显比前者代价要大. -
第6处,
Worker对象是工作线程的核心类实现，部分源码如下
它实现了Runnable接口,并把本对象作为参数输入给run()中的runWorker (this);
所以内部属性线程thread在start的时候,即会调用runWorker.
总结
线程池的相关源码比较精炼，还包括线程池的销毁、任务提取和消费等，与线程状态图一样，线程池也有自己独立的状态转化流程，本节不再展开。
总结一下，使用线程池要注意如下几点:
(1)合理设置各类参数，应根据实际业务场景来设置合理的工作线程数。
(2)线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显式创建线程。
(3)创建线程或线程池时请指定有意义的线程名称，方便出错时回溯。
线程池不允许使用Executors，而是通过ThreadPoolExecutor的方式创建，这样的处理方式能更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。
进一步查看源码发现,这些方法最终都调用了ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor的构造函数
而ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor
0.2 ThreadPoolExecutor 自定义线程池
它们都是某种线程池,可以控制线程创建,释放,并通过某种策略尝试复用线程去执行任务的一个管理框架
,因此最终所有线程池的构造函数都调用了Java5后推出的ThreadPoolExecutor的如下构造函数
Java默认提供的线程池
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
我们只需要将待执行的方法放入 run 方法中，将 Runnable 接口的实现类交给线程池的
execute 方法，作为他的一个参数，比如：
Executor e=Executors.newSingleThreadExecutor();
e.execute(new Runnable(){ //匿名内部类 public void run(){
//需要执行的任务
}
});
线程池的实现原理
ThreadPoolExecutor执行execute()分4种情况
- 若当前运行的线程少于
corePoolSize,则创建新线程来执行任务(执行这一步需要获取全局锁) - 若运行的线程多于或等于
corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue - 若无法将任务加入
BlockingQueue,则创建新的线程来处理任务(执行这一步需要获取全局锁) - 若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()
采取上述思路,是为了在执行execute()时,尽可能避免获取全局锁
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
#源码分析
/**
* 检查是否可以根据当前池状态和给定的边界（核心或最大)
* 添加新工作线程。如果是这样,工作线程数量会相应调整，如果可能的话,一个新的工作线程创建并启动
* 将firstTask作为其运行的第一项任务。
* 如果池已停止此方法返回false
* 如果线程工厂在被访问时未能创建线程,也返回false
* 如果线程创建失败，或者是由于线程工厂返回null，或者由于异常（通常是在调用Thread.start（）后的OOM）），我们干净地回滚。
*
* @param core if true use corePoolSize as bound, else
* maximumPoolSize. (A boolean indicator is used here rather than a
* value to ensure reads of fresh values after checking other pool
* state).
* @return true if successful
*/
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
/**
* Check if queue empty only if necessary.
*
* 如果线程池已关闭，并满足以下条件之一，那么不创建新的 worker：
* 1. 线程池状态大于 SHUTDOWN，也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
* 2. firstTask != null
* 3. workQueue.isEmpty()
* 简单分析下：
* 状态控制的问题，当线程池处于 SHUTDOWN ，不允许提交任务，但是已有任务继续执行
* 当状态大于 SHUTDOWN ，不允许提交任务，且中断正在执行任务
* 多说一句：若线程池处于 SHUTDOWN，但 firstTask 为 null，且 workQueue 非空，是允许创建 worker 的
*
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 如果成功，那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了，准备创建线程执行任务
// 这里失败的话，说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 由于有并发，重新再读取一下 ctl
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 正常如果是 CAS 失败的话，进到下一个里层的for循环就可以了
// 可如果是因为其他线程的操作，导致线程池的状态发生了变更，如有其他线程关闭了这个线程池
// 那么需要回到外层的for循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/* *
* 到这里，我们认为在当前这个时刻，可以开始创建线程来执行任务
*/
// worker 是否已经启动
boolean workerStarted = false;
// 是否已将这个 worker 添加到 workers 这个 HashSet 中
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 把 firstTask 传给 worker 的构造方法
w = new Worker(firstTask);
// 取 worker 中的线程对象，Worker的构造方法会调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//先加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 这个是整个类的全局锁，持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”，
// 因为关闭一个线程池需要这个锁，至少我持有锁的期间，线程池不会被关闭
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 小于 SHUTTDOWN 即 RUNNING
// 如果等于 SHUTDOWN，不接受新的任务，但是会继续执行等待队列中的任务
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// worker 里面的 thread 不能是已启动的
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 加到 workers 这个 HashSet 中
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 若添加成功
if (workerAdded) {
// 启动线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 若线程没有启动，做一些清理工作，若前面 workCount 加了 1，将其减掉
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回线程是否启动成功
return workerStarted;
}
看下 addWorkFailed
worker 中的线程 start 后，其 run 方法会调用 runWorker
继续往下看 runWorker
// worker 线程启动后调用,while 循环(即自旋!)不断从等待队列获取任务并执行
// worker 初始化时，可指定 firstTask，那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
// 该线程的第一个任务(若有)
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 允许中断
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环调用 getTask 获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// 若线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程也要中断
/**
* 若线程池STOP，请确保线程 已被中断
* 如果没有，请确保线程未被中断
* 这需要在第二种情况下进行重新检查，以便在关中断时处理shutdownNow竞争
*/
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 这是一个钩子方法，留给需要的子类实现
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 到这里终于可以执行任务了
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
// 这里不允许抛出 Throwable，所以转换为 Error
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 也是一个钩子方法，将 task 和异常作为参数，留给需要的子类实现
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
// 置空 task，准备 getTask 下一个任务
task = null;
// 累加完成的任务数
w.completedTasks++;
// 释放掉 worker 的独占锁
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 到这里，需要执行线程关闭
// 1. 说明 getTask 返回 null，也就是说，这个 worker 的使命结束了，执行关闭
// 2. 任务执行过程中发生了异常
// 第一种情况，已经在代码处理了将 workCount 减 1，这个在 getTask 方法分析中说
// 第二种情况，workCount 没有进行处理，所以需要在 processWorkerExit 中处理
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
看看 getTask()
// 此方法有三种可能
// 1. 阻塞直到获取到任务返回。默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的，它们会一直等待任务
// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候，也就是如果这么多时间内都没有任务，那么应该执行关闭
// 3. 如果发生了以下条件，须返回 null
// 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
// 线程池处于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面说了，这种不再接受新的任务
// 线程池处于 STOP，不仅不接受新的线程，连 workQueue 中的线程也不再执行
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
// 允许核心线程数内的线程回收，或当前线程数超过了核心线程数，那么有可能发生超时关闭
// 这里 break，是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// 两个 if 一起看：如果当前线程数 wc > maximumPoolSize，或者超时，都返回 null
// 那这里的问题来了，wc > maximumPoolSize 的情况，为什么要返回 null？
// 换句话说，返回 null 意味着关闭线程。
// 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了
// 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试
// 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，
// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，
// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// CAS 操作，减少工作线程数
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试
// 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，
// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，
// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null
timedOut = false;
}
}
}
到这里，基本上也说完了整个流程，回到 execute(Runnable command) 方法，看看各个分支，我把代码贴过来一下：
/**
* Executes the given task sometime in the future. The task
* may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
*
* If the task cannot be submitted for execution, either because this
* executor has been shutdown or because its capacity has been reached,
* the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.
*
* @param command the task to execute
* @throws RejectedExecutionException at discretion of
* {@code RejectedExecutionHandler}, if the task
* cannot be accepted for execution
* @throws NullPointerException if {@code command} is null
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* 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.
*/
//表示 “线程池状态” 和 “线程数” 的整数
int c = ctl.get();
// 如果当前线程数少于核心线程数，直接添加一个 worker 执行任务，
// 创建一个新的线程，并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任务成功，即结束
// 执行的结果，会包装到 FutureTask
// 返回 false 代表线程池不允许提交任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到这说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败
// 如果线程池处于 RUNNING ，把这个任务添加到任务队列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
/* 若任务进入 workQueue，我们是否需要开启新的线程
* 线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新线程的
* 若线程数已经大于等于 corePoolSize，则将任务添加到队列中，然后进到这里
*/
int recheck = ctl.get();
// 若线程池不处于 RUNNING ，则移除已经入队的这个任务，并且执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 若线程池还是 RUNNING ，且线程数为 0，则开启新的线程
// 这块代码的真正意图：担心任务提交到队列中了，但是线程都关闭了
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 若 workQueue 满，到该分支
// 以 maximumPoolSize 为界创建新 worker，
// 若失败，说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize，执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
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);
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//先加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
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
线程池的使用
2.2 向线程池提交任务
可以使用两个方法向线程池提交任务
2.2.1 execute()
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
}
});
从运行结果可以看出，单线程池中的线程是顺序执行的。固定线程池（参数为2）中，永远最多只有两个线程并发执行。缓存线程池中，所有线程都并发执行。
第二个例子，测试单线程调度线程池和固定调度线程池。
public class ScheduledThreadPoolExam {
public static void main(String[] args) {
//first test for singleThreadScheduledPool
ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
//second test for scheduledThreadPool
// ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
scheduledPool.schedule(new TaskInScheduledPool(i), 0, TimeUnit.SECONDS);
}
scheduledPool.shutdown();
}
}
class TaskInScheduledPool implements Runnable {
private final int id;
TaskInScheduledPool(int id) {
this.id = id;
}
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is running phase-"+i);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is over");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
从运行结果可以看出，单线程调度线程池和单线程池类似，而固定调度线程池和固定线程池类似。
总结：
- 如果没有特殊要求，使用缓存线程池总是合适的；
- 如果只能运行一个线程，就使用单线程池。
- 如果要运行调度任务，则按需使用调度线程池或单线程调度线程池
- 如果有其他特殊要求，则可以直接使用ThreadPoolExecutor类的构造函数来创建线程池，并自己给定那五个参数。
2.2.2 submit()
用于提交需要返回值的任务.线程池会返回一个future类型对象,通过此对象可以判断任务是否执行成功
并可通过get()获取返回值,get()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,这时候可能任务没有执行完.
Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
try {
Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
// 处理中断异常
} catch (ExecutionException e) {
// 处理无法执行任务异常
} finally {
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}
2.3 关闭线程池
可通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池.
它们的原理是遍历线程池中的工作线程,然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程,所以无法响应中断的任务可能永远无法终止.
但是它们存在一定的区别
- shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待执行任务的列表
- shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程.
只要调用了这两个关闭方法中的任意一个,isShutdown方法就会返回true.
当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true.
至于应该调用哪一种方法,应该由提交到线程池的任务的特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,若任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法.
##2.4 合理配置
要想合理地配置线程池,就必须首先分析任务特性,可从以下几个角度来分析
- 任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务
- 任务的优先级：高、中和低
- 任务的执行时间：长、中和短
- 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。
性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理
- CPU密集型任务
应配置尽可能小的线程,配置
N(CPU)+1或者N(CPU) * 2 - I/O密集型任务
业务读取较多,线程并不是一直在执行任务,则应配置尽可能多的线程
N(CPU)/1 - 阻塞系数(0.8~0.9) - 混合型的任务,如果可以拆分,将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量.如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解.
可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数.
优先级不同的任务可以使用PriorityBlockingQueue处理.它可以让优先级高
的任务先执行.
注意 如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级低的任务可能永远不能执行
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行.
依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,等待的时间越长,则CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置得越大,这样才能更好地利用CPU.
建议使用有界队列 有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点,比如几千.
假如系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了,不断抛出抛弃任务的异常,通过排查发现是数据库出现了问题,导致执行SQL变得非常缓慢,因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的,所以导致线程池里的工作线程全部阻塞,任务积压在线程池里.
如果我们设置成无界队列,那么线程池的队列就会越来越多,有可能会撑满内存,导致整个系统不可用,而不只是后台任务出现问题.
2.5 线程池的监控
如果在系统中大量使用线程池,则有必要对线程池进行监控,方便在出现问题时,可以根据线程池的使用状况快速定位问题.可通过线程池提供的参数进行监控,在监控线程池的时候可以使用以下属性:
- taskCount：线程池需要执行的任务数量
- completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
- largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量.通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过.如该数值等于线程池的最大大小,则表示线程池曾经满过.
- getPoolSize：线程池的线程数量.如果线程池不销毁的话,线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减.
- getActiveCount：获取活动的线程数.
通过扩展线程池进行监控.可以通过继承线程池来自定义线程池,重写线程池的
beforeExecute、afterExecute和terminated方法,也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控.例如,监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等.
这几个方法在线程池里是空方法.
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
2.6 线程池的状态
1.当线程池创建后，初始为 running 状态
2.调用 shutdown 方法后，处 shutdown 状态，此时不再接受新的任务，等待已有的任务执行完毕
3.调用 shutdownnow 方法后，进入 stop 状态，不再接受新的任务，并且会尝试终止正在执行的任务。
4.当处于 shotdown 或 stop 状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已清空，线程池被设为 terminated 状态。
#总结
java 线程池有哪些关键属性？
- corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收，当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收（allowCoreThreadTimeOut(true)）。
- workQueue 用于存放任务，添加任务的时候，如果当前线程数超过了 corePoolSize，那么往该队列中插入任务，线程池中的线程会负责到队列中拉取任务。
- keepAliveTime 用于设置空闲时间，如果线程数超出了 corePoolSize，并且有些线程的空闲时间超过了这个值，会执行关闭这些线程的操作
- rejectedExecutionHandler 用于处理当线程池不能执行此任务时的情况，默认有抛出 RejectedExecutionException 异常、忽略任务、使用提交任务的线程来执行此任务和将队列中等待最久的任务删除，然后提交此任务这四种策略，默认为抛出异常。
##线程池中的线程创建时机？ - 如果当前线程数少于 corePoolSize，那么提交任务的时候创建一个新的线程，并由这个线程执行这个任务；
- 如果当前线程数已经达到 corePoolSize，那么将提交的任务添加到队列中，等待线程池中的线程去队列中取任务；
- 如果队列已满，那么创建新的线程来执行任务，需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize，如果此时线程数超过了 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。
##任务执行过程中发生异常怎么处理？
如果某个任务执行出现异常，那么执行任务的线程会被关闭，而不是继续接收其他任务。然后会启动一个新的线程来代替它。
##什么时候会执行拒绝策略？
- workers 的数量达到了 corePoolSize，任务入队成功，以此同时线程池被关闭了，而且关闭线程池并没有将这个任务出队，那么执行拒绝策略。这里说的是非常边界的问题，入队和关闭线程池并发执行，读者仔细看看 execute 方法是怎么进到第一个 reject(command) 里面的。
- workers 的数量大于等于 corePoolSize，准备入队，可是队列满了，任务入队失败，那么准备开启新的线程，可是线程数已经达到 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。
参考
<<码出高效>>
