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Java线程池

jerry / 2570人阅读

摘要:中的线程池是运用场景最多的并发框架。才是真正的线程池。存放任务的队列存放需要被线程池执行的线程队列。所以线程池的所有任务完成后,它最终会收缩到的大小。饱和策略一般情况下,线程池采用的是,表示无法处理新任务时抛出异常。

Java线程池 1. 简介

系统启动一个新线程的成本是比较高的,因为它涉及与操作系统的交互,这个时候使用线程池可以提升性能,尤其是需要创建大量声明周期很短暂的线程时。Java中的线程池是运用场景最多的并发框架。

线程池类似于数据库连接池,在系统启动的时候即创建大量空闲的线程,可以将一个线程任务提交给线程池执行,当任务执行完后,线程不会死亡,而是再次返回线程池中成为空闲状态。

使用线程池的好处

降低资源消耗:重复利用降低创建和销毁线程的消耗;

提高响应速度:任务来了可以理解执行,不必等待线程创建;

提高线程的可管理性:使用线程池可以统一的分配、调优和监控。

2. 使用Executors工厂类来产生线程

Executors工厂类主要有4种方式生产线程池:

1.newCachedThreadPool() :创建一个具有缓存功能的线程池,线程池无边界,适用于执行很多短期异步任务的小程序,或者负载较轻的服务器。

2. newFixedThreadPool(int nThreads):创建一个固定线程数的线程池,适用于为了满足资源管理的要求而需要限制线程数量的场景,比如负载较重的服务器。

3. newSingleThreadExecutor():创建一个只有单线程的线程池,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西场景。

4. newScheduledThreadPool(int corePoolSize):创建一个具有指定线程数的线程池,并可以在指定延迟后执行线程任务,适用于多个后台线程执行周期任务,同时为了满足资源管理需要限制线程数量的场景。

实例代码
package com.wangjun.thread;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/*
 * 演示线程池的使用
 */
public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        
        //生产普通的线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(6);
        // 第一种执行线程的方式
        threadPool.submit(new MyThread()); 
        // 第二种执行线程的方式,有返回值
        Future result = threadPool.submit(new MyThread(), "返回值1"); 
        System.out.println(result.get());
        // 第三种执行线程的方式,传入Callable对象,有返回值
        Future result2 = threadPool.submit(new MyThread2()); 
        System.out.println(result2.get());
        
        // 关闭线程池,不再接受新的任务,会将之前所有提交的任务执行完成,所有任务完成后,所有的线程死亡
        // 调用shutdownNow可以立马停止所有线程
        threadPool.shutdown();
        System.out.println("-----");
        // 生产可以延迟执行的线程池
        ScheduledExecutorService threadPool2 = Executors.newScheduledThreadPool(6);
        // 延迟1秒执行
        threadPool2.schedule(new MyThread(), 1, TimeUnit.SECONDS);
        // 延迟2秒后执行,每一秒循环执行一次
        // 是以上一个任务开始的时间计时,period时间过去后,检测上一个任务是否执行完毕,如果上一个任务执行完毕,
        // 则当前任务立即执行,如果上一个任务没有执行完毕,则需要等上一个任务执行完毕后立即执行。
        threadPool2.scheduleAtFixedRate(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
        // 是以上一个任务结束时开始计时,period时间过去后,立即执行。
        // 两个方法以不同的时间点作为参考
        threadPool2.scheduleWithFixedDelay(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
        
        Thread.sleep(3000);
        threadPool2.shutdown();
    }

    static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
    static class MyThread2 implements Callable{
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName());
            return "返回值2";
        }
    }

}
3. 线程池类ThreadPoolExector

上面使用Executors工厂类生产线程池,其实大部分返回的就是ThreadPoolExector的实例。ThreadPoolExector才是真正的线程池。

3.1 线程池的几个关键属性

核心线程数量corePoolSize:核心线程数,指保留的线程池大小(不超过maximumPoolSize值时,线程池中最多有corePoolSize 个线程工作)。

最大线程数量maximumPoolSize:指的是线程池的最大大小,使用使用了无界队列,那这个参数就没什么用。

线程结束的超时时间keepAliveTime:当一个线程不工作时,过keepAliveTime时间将停止该线程(该线程是多余的,指大于corePoolSize的那些线程)。

存放任务的队列workQueue:存放需要被线程池执行的线程队列。

饱和策略handler:加任务失败后如何处理该任务。通常是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。

3.2 线程池执行策略

线程池执行execute()方法的过程如图:

线程池刚创建时,里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过,就算队列里面有任务,线程池也不会马上执行它们。

当调用 execute() 方法添加一个任务时,线程池会做如下判断:

​ a. 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize,则创建线程执行任务(注意,这一步需要获取全局锁);

​ b. 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize并且队列没有满,那么将这个任务放入队列。

​ c. 如果这时候队列满了,而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize,那么还是要创建线程运行这个任务;

​ d. 如果队列满了,而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize,那么线程池会交给配置的执行策略处理(调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法),比如抛出异常,提示无法加入新线程。

当一个线程完成任务时,它会从队列中取下一个任务来执行。

当一个线程无事可做,超过一定的时间(keepAliveTime)时,线程池会判断,如果当前运行 的线程数大于 corePoolSize,那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后,它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

3.3 线程池中阻塞队列的种类

ArrayBlockingQueue:居于数组结构的有界阻塞队列,按照先进先出FIFO原则对元素进行排序;

LinkedBlockingQueue:基于链表结构的阻塞队列,按照FIFO排序原色,吞吐量大于ArrayBlockingQueue,静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()就使用了这个队列;

SynchronousQueue: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,静态工程方法Executors.newCachedThreadPool()就使用了这个队列;

PriorityBlockingQueue:具有优先级的无限阻塞队列。

3.4 饱和策略

一般情况下,线程池采用的是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。JDK1.5中java线程池框架提供了4种饱和策略:

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。

也可以根据场景来实现RejectedExecutionHandler接口来自定义策略。

3.5 向线程池提交任务

execute:用于提交不需要返回值的任务,因此无法判断任务是否被线程执行成功;

submit:用于提交需要有返回值的任务,返回一个Future对象,通过get()获取返回值,会阻塞当前线程直到任务完成。

3.6 关闭线程池

通过调用线程池的shutdownshutdownNow方法来关闭线程池,他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,所以无法影响中断的任务可能永远无法终止。

这两个方法的区别是shutdownNow首先将线程池的状态设置为STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待任务的列表,而shutdown只是将线程池的状态设置为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。通常调用shutdown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。

4. Executor框架

JDK5之前,java的线程Thread既是工作单元,也是执行单元(start方法执行),JDK5开始,把工作单元与执行机制分离开来,工作单元包括Runnable和Callable,而执行机制由Executor框架提供。(注意这里的Executor和Executors线程池工厂类不是一回事。)

线程池类ThreadPoolExecutor的继承关系:

ThreadPoolExecutor -> AbstractExecutorService -> ExecutorService(接口) -> Executor(接口)。

可以看到ThreadPoolExecutor就是Executor接口的一个实现方法。

4.1 Executor的两层调度模型

传统的java线程(java.lang.Thread)在JVM中被一对一映射为本地操作系统线程,java线程启动时会创建一个本地操作系统线程,当java线程终止时,这个操作系统线程也会被回收。

而在Executor框架中,将用户任务映射为固定数量的线程,在底层操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上,应用程序通过Executor框架控制上层调度,下层的调度由操作系统内核控制。

4.2 Executor框架的结构

Executor框架主要有3部分组成:

任务:包括被执行任务需要实现的接口:Runnable和Callable;

任务的执行:核心接口是Executor,继承Executor的ExecutorService接口。ExecutorService接口有两个核心实现类,ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor(继承ThreadPoolExecutor,可以延迟执行任务,比Timer更强大)。

异步计算的结果:包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

来看一下Executor框架中主要类和接口的UML图:

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