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我的JUC的学习之路:
JUC篇:volatile可见性的实现原理
JUC篇:synchronized的应用和实现原理
JUC篇:用Java实现一个简单的线程池
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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
一、合理使用线程池带来的好处
第一: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。
第二: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。
第三: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。
二.线程池的使用
2.1线程池的创建
2.1.1通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池
new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime,milliseconds,runnableTaskQueue, handler);
线程池的7个核心参数(面试常问)
1)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prestartAllCoreThreads()方法,线程池会提前创建并启动所有基本线程。
2)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。
- 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
3)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。
4)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();
5)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
- AbortPolicy:直接抛出异常
- CallerRunsPolicy:使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
6)keepAliveTime(线程活动保持时间):线程池的工作线程(非核心线程)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。
7)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)和纳秒(NANOSECONDS,千分之一微秒)
2.1.2使用工厂类Executors来创建
1)FixedThreadPool。下面是Executors提供的,创建使用固定线程数的FixedThreadPool的API。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
本质上也是通过ThreadPoolExecutor来创建线程池
FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。
FixedThreadPool适用于为了满足资源管理的需求,而需要限制当前线程数量的应用场
景,它适用于负载比较重的服务器。
2)SingleThreadExecutor。下面是Executors提供的,创建使用单个线程的SingleThread-
Executor的API。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与
FixedThreadPool相同。
SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务;并且在任意时间点,不会有多个线程是活动的应用场景。
3)CachedThreadPool。下面是Executors提供的,创建一个会根据需要创建新线程的
CachedThreadPool的API。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0,即corePool为空;maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE,即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L,意味着CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒,空闲线程超过60秒后将会被终止。
CachedThreadPool是大小无界的线程池,适用于执行很多的短期异步任务的小程序,或者是负载较轻的服务器。
总结:实际开发中推荐通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池
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,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<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
可以通过调用线程池的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,而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来关闭线程池,应该由提交到线程池的任务特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,如果任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法。
三、线程池的实现原理
3.1ThreadPoolExecutor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?
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
1)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。
2)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。
3)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
ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况。
1)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)。
2)如果运行的线程等于或多于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue。
3)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)。
4)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。
3.2FixedThreadPool的实现原理
FixedThreadPool的execute()方法的运行示意图
说明如下
1)如果当前运行的线程数少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务。
2)在线程池完成预热之后(当前运行的线程数等于corePoolSize),将任务加入LinkedBlockingQueue。
3)线程执行完1中的任务后,会在循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。
3.3SingleThreadExecutor的实现原理
SingleThreadExecutor的运行示意图
1)如果当前运行的线程数少于corePoolSize(即线程池中无运行的线程),则创建一个新线
程来执行任务。
2)在线程池完成预热之后(当前线程池中有一个运行的线程),将任务加入Linked-
BlockingQueue。
3)线程执行完1中的任务后,会在一个无限循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。
3.4CachedThreadPool的实现原理
CachedThreadPool的execute()方法的执行示意图
1)首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果当前maximumPool中有空闲线程正在执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS),那么主线程执行offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功,主线程把任务交给空闲线程执行,execute()方法执行完成;否则执行下面的步骤2)。
2)当初始maximumPool为空,或者maximumPool中当前没有空闲线程时,将没有线程执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS)。这种情况下,步骤1)将失败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务,execute()方法执行完成。
3)在步骤2)中新创建的线程将任务执行完后,会执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS)。这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务(主线程执行步骤1)),那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务;否则,这个空闲线程将终止。由于空闲60秒的空闲线程会被终止,因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。
SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一
个线程的对应移除操作,反之亦然。CachedThreadPool使用SynchronousQueue,把主线程提交的任务传递给空闲线程执行。CachedThreadPool中任务传递的示意图
总结
文章介绍了为什么要使用线程池、如何使用线程池和线程池的使用原理,相信阅读完文章之后,读者能更准确、更有效地使用线程池。