线程池 ThreadPoolExecutor 基础介绍

政采云技术2023-09-13 9:26

什么是线程？

线程是指进程中的一个执行流程，一个进程中可以运行多个线程。比如 java.exe 进程中可以运行很多线程。线程总是属于某个进程，线程没有自己的虚拟地址空间，与进程内的其他线程一起共享分配给该进程的所有资源。

线程在执行过程中与进程是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

线程是进程的一个实体，是 CPU 调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

在 JAVA 中，线程是 java.lang.Thread 类的一个实例。

JAVA 中线程创建的方式？

  1. 继承 Thread，并重写 run 方法。
  2. 实现 Runnable，并重写 run 方法。
  3. 实现 Callable 接口。

什么是线程池？为什么要使用线程池？

线程池，顾名思义，存放线程的池子。线程是比较稀缺的资源，被无限创建的话，会大量消耗系统资源，降低系统的稳定性。JAVA 中的线程池，可以对线程进行统一的管理。

在并发环境下，系统不能够确定在任意时刻中，执行多少任务，投入多少资源。这种不确定性可能会带来一些问题：

  1. 频繁的创建，删除线程，会带来一定的性能损耗。
  2. 线程无限创建，可能带来资源耗尽的风险。
  3. 线程随意的创建，删除。可能会导致系统的不稳定。

线程池解决的核心问题就是资源管理问题。使用线程池的优点：

  1. 降低资源损耗。通过复用已经创建的线程，来降低线程创建销毁带来的消耗。
  2. 提高响应速度。当接到任务时，减免了原本需要创建线程所消耗的时间。
  3. 提高了线程的可管理性。线程由线程池统一管理，调度。合理的使用线程池，能够避免线程的随意创建销毁，增加系统稳定性，控制线程数量，也可以避免资源耗尽的风险。

JAVA 中线程池的继承关系图

Executor 接口是线程框架最基础的部分，该接口只定义一个用于执行 Runnable 的 execute 方法，用来分离任务的提交和任务的执行。

ExecutorService 接口继承了 Executor，在其基础上做了 submit()， shutdown()， invokeAll() 等方法的扩展，算是真正意义上的线程池接口。

AbstractExecutorService 抽象类实现了 ExecutorService 中的部分方法，如部分的 submit()， invokeAll()方法。

ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。

ScheduledExecutorService 接口继承了 ExecutorService 接口，提供了一些延时执行的方法。

ScheduledThreadPoolExecutor 是一个实现类，可以在给定一个延时后运行命令，或者定时执行命令。

从继承图可以看出，ExecutorService 是线程池的一个比较核心的接口类。该类里面继承了和定义了一些具体的方法：

  1. void execute(Runnable command); 执行 Runnable 类型的任务。
  2. Future<?> submit(Runnable/Callable task); 用来提交 Runnable/Callable 任务，并返回该任务的 Future 对象。
  3. void shutdown(); 在完成已经提交的任务后，关闭。不在接收新的任务。
  4. List shutdownNow(); 停止所有正在执行的任务，同事不在接收新的任务。
  5. boolean isTerminated(); 判断是否所有的任务都已经执行完成了。
  6. boolean isShutdown(); 判断 ExecutorService 是否被关闭。
  7. List<Future> invokeAll(Collection<? extends Callable> tasks); 执行指定的任务集合，执行完成后返回结果。
  8. T invokeAny(Collection<? extends Callable> tasks); 执行指定的任务集合，任意一个任务执行完成，返回结果，其他任务终止。

线程池核心实现类之一：ThreadPoolExecutor

ini 复制代码 
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.acc = System.getSecurityManager() == null ? null : AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

线程池创建的各个参数的意义：

corePoolSize：

线程池的核心线程数量，提交一个任务，就会创建一个线程，直到线程数量达到 corePoolSize。

如果线程数量等于 corePoolSize，继续提交任务，则会被保存在线程阻塞队列里，等待执行。

执行线程池的 prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启用所有的核心线程。

maximumPoolSize：

线程池最大线程数量。

在线程阻塞队列满的时候，继续提交任务，则会创建新的线程执行任务，线程最大的数量不可超过 maximumPoolSize。

keepAliveTime：

线程存货时间。在没有任务需要执行的时候，线程存活的时间。该参数在线程数量大于 corePoolSize 的时候使用。

unit：

keepAliveTime 时间单位。

workQueue：

线程阻塞队列。

当正在执行任务的线程数量等于 corePoolSize 的时候，继续提交任务，任务则会进入 workQueue 等待被执行。

一般情况下，workQueue 都是有限队列，如果 workQueue 是无限队列，可能会对系统带来一定的影响：

  1. 如果是无限队列，当线程数达到 corePoolSize 是，新任务就会一直进入 workQueue。maximumPoolSize 参数就会无效，同时 keepAliveTime 也会变成无效参数。
  2. 如果是无限队列，也有可能出现资源耗尽的情况。

常用的 workQueue：ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue 等

threadFactory：

线程工厂。

自己设置自定义线程工厂，Executors 的默认线程工厂 DefaultThreadFactory

java 复制代码 
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
  private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
  private final ThreadGroup group;
  private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
  private final String namePrefix;
​
  DefaultThreadFactory() {
    SecurityManager s = System.getSecurityManager();
    group = (s != null) ? s.getThreadGroup() : Thread.currentThread().getThreadGroup();
    namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-";
  }
​
  public Thread newThread(Runnable r) {
    Thread t = new Thread(group, r, namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(), 0);
    if (t.isDaemon()) t.setDaemon(false);
    if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY) t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
    return t;
  }
}

可以看出默认线程工厂的线程命名规则是：pool-''数字''-thread-"数字"

executionHandler：

拒绝策略。

当线程阻塞队列已满，线程数量也已经到 maximumPoolSize 时，如果继续提交任务，就必须找一种方法处理现在的情况。就有了拒绝策略。线程池提供了四种拒绝策略供大家选择：

  1. AbortPolicy：直接抛出异常，也是线程池的默认拒绝策略。

    java 复制代码 
    public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
  /**
   * Creates an {@code AbortPolicy}.
   */
  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());
  }
}

  1. CallerRunsPolicy：用调用者所在的当前线程执行。一般使用在不允许失败，对性要求不高，并发不算太高的场景。如果并发很高，则会造成程序阻塞，性能效率损失很大。

    java 复制代码 
    public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
  /**
   * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
   */
  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();
    }
  }
}

  1. DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列里面最前面的任务，并开始执行当前任务。

    java 复制代码 
    public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
  /**
   * Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
   */
  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);
    }
  }
}

  1. DiscardPolicy：直接丢弃任务。

    java 复制代码 
    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) {
  }
}

线程池的重要属性

java 复制代码 
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

ctl：

是对线程池的运行状态，线程池中有效线程数量进行控制的一个字段，ctl 包含两部分信息：线程池的于行状态（runState），线程池内有效线程数量（workerCount）；这两个信息用一个 Integer 类型来保存，runState 用高三位保存，workerCount 用低 29 位保存。COUNT_BITS 就是 29，CAPACITY 是 1 左移 29 位再减去 1（二进制就是 29 个 1），这个常量表示 workerCount 的上限值 536870911。

线程池的五种状态

arduino 复制代码 
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;
  1. RUNNING ：线程池的初始状态，线程池被创建就是 RUNNING 状态，且线程池的任务为 0。线程池处于 RUNNING 状态，能接收新任务，并且能够已添加的任务做处理。
  2. SHUTDOWN：调用线程池的 shutdown() 接口，线程池的状态会从 RUNNING -> SHUTDOWN。线程池处于 SUTDOWN 状态时，线程池不在接收新任务，可以继续完成已经收到的任务。
  3. STOP：调用线程池的 shutdownNow() 接口，线程池状态会从 RUNNING/SHUTDOWN -> STOP 。线程池处于 STOP 状态时，线程池不在接收新任务，也不会继续完成已经收到的任务，并中断正在执行的任务。
  4. TIDYING：当线程池在 SHUTDOWN 状态下，阻塞队列为空并且线程池中执行的任务也为空时，就会由 SHUTDOWN -> TIDYING； 当线程池在 STOP 状态下，线程池中执行的任务为空时，就会由 STOP -> TIDYING。当所有的任务已终止，ctl 记录的"任务数量"为 0，线程池会变为 TIDYING 状态。当线程池变为 TIDYING 状态时，会执行钩子函数 terminated()。terminated() 在ThreadPoolExecutor 类中是空的，若用户想在线程池变为 TIDYING 时，进行相应的处理； 可以通过重载 terminated() 函数来实现。
  5. TERMINATED：线程池在 TIDYING 状态下，执行过 terminated() 之后，从 TIDYING -> TERMINATED 状态。线程池彻底终止就变成了 TERMINATED 状态。进入 TERMINATED 状态的条件：(1) 线程池不在 RUNNING；(2) 线程池状态不在 TIDYING/TERMINATED；(3) 线程池的状态是 SHUTDOWN，并且阻塞队列为空时。(4) workerCount=0；(5) 设置 TIDYING 成功。

线程池的工作原理

  1. 如果当前线程数量少于 corePoolSize 时，新来任务时会获取全局锁创建新的线程；
  2. 当前线程数量等于或多余 corePoolSize 时，新来任务时则会被加到 BlockingQueue；
  3. 如果 BlockingQueue 已经满了，则会创建新的线程来处理任务；
  4. 新创建线程时，如果线程总数即将超过 maximumPoolSize，则当前任务则会被拒绝。

学习总结

本次主要以线程为切入点，并抛砖引玉以提出问题的方式，去学习 JAVA 中 Executor 接口的继承关系，了解到了线程池的核心实现类 ThreadPoolExecutor 的所有参数都是什么含义，学习了四种线程拒绝策略，在不同的业务场景中该如何使用。

通过线程池的一些重要属性学习到了线程池的状态流转机制。进一步了解了线程池的工作原理，真正的知道了线程池的优缺点，以及在什么业务场景下再去使用线程池。

后续会继续学习线程池的相关方法和线程池线程的复用原理。让线程池在业务中能够更合理的使用。

参考文献

  • JAVA多线程与线程池技术详解

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