线程池可以简单看做是一组线程的集合,通过使用线程池,我们可以方便的复用线程,避免了频繁创建和销毁线程所带来的开销。在应用上,线程池可应用在后端相关服务中。比如 Web 服务器,数据库服务器等。以 Web 服务器为例,假如 Web 服务器会收到大量短时的 HTTP 请求,如果此时我们简单的为每个 HTTP 请求创建一个处理线程,那么服务器的资源将会很快被耗尽。当然我们也可以自己去管理并复用已创建的线程,以限制资源的消耗量,但这样会使用程序的逻辑变复杂。好在,幸运的是,我们不必那样做。在 JDK 1.5 中,官方已经提供了强大的线程池工具类。通过使用这些工具类,我们可以用低廉的代价使用多线程技术。
线程池作为 Java 并发重要的工具类,在会用的基础上,我觉得很有必要去学习一下线程池的相关原理。毕竟线程池除了要管理线程,还要管理任务,同时还要具备统计功能。所以多了解一点,还是可以扩充眼界的,同时也可以更为熟悉线程池技术。
线程池所涉及到的接口和类并不是很多,其继承体系也相对简单。相关继承关系如下:
如上图,最顶层的接口 Executor 仅声明了一个方法 execute
。ExecutorService 接口在其父类接口基础上,声明了包含但不限于 shutdown
、 submit
、 invokeAll
、 invokeAny
等方法。至于 ScheduledExecutorService 接口,则是声明了一些和定时任务相关的方法,比如 schedule
和 scheduleAtFixedRate
。线程池的核心实现是在 ThreadPoolExecutor 类中,我们使用 Executors 调用 newFixedThreadPool
、 newSingleThreadExecutor
和 newCachedThreadPool
等方法创建线程池均是 ThreadPoolExecutor 类型。
以上是对线程池继承体系的简单介绍,这里先让大家对线程池大致轮廓有一定的了解。接下来我会介绍一下线程池的实现原理,继续往下看吧。
如上节所说,线程池的核心实现即 ThreadPoolExecutor 类。该类包含了几个核心属性,这些属性在可在构造方法进行初始化。在介绍核心属性前,我们先来看看 ThreadPoolExecutor 的构造方法,如下:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)
如上所示,构造方法的参数即核心参数,这里我用一个表格来简要说明一下各个参数的意义。如下:
参数 | 说明 |
---|---|
corePoolSize | 核心线程数。当线程数小于该值时,线程池会优先创建新线程来执行新任务 |
maximumPoolSize | 线程池所能维护的最大线程数 |
keepAliveTime | 空闲线程的存活时间 |
workQueue | 任务队列,用于缓存未执行的任务 |
threadFactory | 线程工厂。可通过工厂为新建的线程设置更有意义的名字 |
handler | 拒绝策略。当线程池和任务队列均处于饱和状态时,使用拒绝策略处理新任务。默认是 AbortPolicy,即直接抛出异常 |
以上是各个参数的简介,下面我将会针对部分参数进行详细说明,继续往下看。
在 Java 线程池实现中,线程池所能创建的线程数量受限于 corePoolSize 和 maximumPoolSize 两个参数值。线程的创建时机则和 corePoolSize 以及 workQueue 两个参数有关。下面列举一下线程创建的4个规则(线程池中无空闲线程),如下:
简化一下上面的规则:
序号 | 条件 | 动作 |
---|---|---|
1 | 线程数 < corePoolSize | 创建新线程 |
2 | 线程数 ≥ corePoolSize,且 workQueue 未满 | 缓存新任务 |
3 | corePoolSize ≤ 线程数 < maximumPoolSize,且 workQueue 已满 | 创建新线程 |
4 | 线程数 ≥ maximumPoolSize,且 workQueue 已满 | 使用拒绝策略处理 |
考虑到系统资源是有限的,对于线程池超出 corePoolSize 数量的空闲线程应进行回收操作。进行此操作存在一个问题,即回收时机。目前的实现方式是当线程空闲时间超过 keepAliveTime 后,进行回收。除了核心线程数之外的线程可以进行回收,核心线程内的空闲线程也可以进行回收。回收的前提是 allowCoreThreadTimeOut
属性被设置为 true,通过 public void allowCoreThreadTimeOut(boolean)
方法可以设置属性值。
如3.1.2 线程创建规则一节中规则2所说,当线程数量大于等于 corePoolSize,workQueue 未满时,则缓存新任务。这里要考虑使用什么类型的容器缓存新任务,通过 JDK 文档介绍,我们可知道有3中类型的容器可供使用,分别是 同步队列
, 有界队列
和 无界队列
。对于有优先级的任务,这里还可以增加 优先级队列
。以上所介绍的4中类型的队列,对应的实现类如下:
实现类 | 类型 | 说明 |
---|---|---|
SynchronousQueue | 同步队列 | 该队列不存储元素,每个插入操作必须等待另一个线程调用移除操作,否则插入操作会一直阻塞 |
ArrayBlockingQueue | 有界队列 | 基于数组的阻塞队列,按照 FIFO 原则对元素进行排序 |
LinkedBlockingQueue | 无界队列 | 基于链表的阻塞队列,按照 FIFO 原则对元素进行排序 |
PriorityBlockingQueue | 优先级队列 | 具有优先级的阻塞队列 |
如3.1.2 线程创建规则一节中规则4所说,线程数量大于等于 maximumPoolSize,且 workQueue 已满,则使用拒绝策略处理新任务。Java 线程池提供了4中拒绝策略实现类,如下:
实现类 | 说明 |
---|---|
AbortPolicy | 丢弃新任务,并抛出 RejectedExecutionException |
DiscardPolicy | 不做任何操作,直接丢弃新任务 |
DiscardOldestPolicy | 丢弃队列队首的元素,并执行新任务 |
CallerRunsPolicy | 由调用线程执行新任务 |
以上4个拒绝策略中,AbortPolicy 是线程池实现类所使用的策略。我们也可以通过方法 public void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler)
修改线程池决绝策略。
在线程池的实现上,线程的创建是通过线程工厂接口 ThreadFactory
的实现类来完成的。默认情况下,线程池使用 Executors.defaultThreadFactory()
方法返回的线程工厂实现类。当然,我们也可以通过
public void setThreadFactory(ThreadFactory)
方法进行动态修改。具体细节这里就不多说了,并不复杂,大家可以自己去看下源码。
在线程池中,线程的复用是线程池的关键所在。这就要求线程在执行完一个任务后,不能立即退出。对应到具体实现上,工作线程在执行完一个任务后,会再次到任务队列获取新的任务。如果任务队列中没有任务,且 keepAliveTime 也未被设置,工作线程则会被一致阻塞下去。通过这种方式即可实现线程复用。
说完原理,再来看看线程的创建和复用的相关代码(基于 JDK 1.8),如下:
+----ThreadPoolExecutor.Worker.java Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); this.firstTask = firstTask; // 调用线程工厂创建线程 this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } // Worker 实现了 Runnable 接口 public void run() { runWorker(this); } +----ThreadPoolExecutor.java final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; w.unlock(); boolean completedAbruptly = true; try { // 循环从任务队列中获取新任务 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 { // 执行新任务 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 { // 线程退出后,进行后续处理 processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }
通常情况下,我们可以通过线程池的 submit
方法提交任务。被提交的任务可能会立即执行,也可能会被缓存或者被拒绝。任务的处理流程如下图所示:
上面的流程图不是很复杂,下面再来看看流程图对应的代码,如下:
+---- AbstractExecutorService.java public Future<?> submit(Runnable task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); // 创建任务 RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null); // 提交任务 execute(ftask); return ftask; } +---- ThreadPoolExecutor.java public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); // 如果工作线程数量 < 核心线程数,则创建新线程 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // 添加工作者对象 if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } // 缓存任务,如果队列已满,则 offer 方法返回 false。否则,offer 返回 true 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); } // 添加工作者对象,并在 addWorker 方法中检测线程数是否小于最大线程数 else if (!addWorker(command, false)) // 线程数 >= 最大线程数,使用拒绝策略处理任务 reject(command); } private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); // 检测工作线程数与核心线程数或最大线程数的关系 if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } } boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { // 创建工作者对象,细节参考上一节所贴代码 w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { int rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); // 将 worker 对象添加到 workers 集合中 workers.add(w); int s = workers.size(); // 更新 largestPoolSize 属性 if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { // 开始执行任务 t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; }
上面的代码略多,不过结合上面的流程图,和我所写的注释,理解主逻辑应该不难。
我们可以通过 shutdown
和 shutdownNow
两个方法关闭线程池。两个方法的区别在于,shutdown 会将线程池的状态设置为 SHUTDOWN
,同时该方法还会中断空闲线程。shutdownNow 则会将线程池状态设置为 STOP
,并尝试中断所有的线程。中断线程使用的是 Thread.interrupt
方法,未响应中断方法的任务是无法被中断的。最后,shutdownNow 方法会将未执行的任务全部返回。
调用 shutdown 和 shutdownNow 方法关闭线程池后,就不能再向线程池提交新任务了。对于处于关闭状态的线程池,会使用拒绝策略处理新提交的任务。
一般情况下,我们并不直接使用 ThreadPoolExecutor 类创建线程池,而是通过 Executors 工具类去构建线程池。通过 Executors 工具类,我们可以构造5中不同的线程池。下面通过一个表格简单介绍一下几种线程池,如下:
静态构造方法 | 说明 |
---|---|
newFixedThreadPool(int nThreads) | 构建包含固定线程数的线程池,默认情况下,空闲线程不会被回收 |
newCachedThreadPool() | 构建线程数不定的线程池,线程数量随任务量变动,空闲线程存活时间超过60秒后会被回收 |
newSingleThreadExecutor() | 构建线程数为1的线程池,等价于 newFixedThreadPool(1) 所构造出的线程池 |
newScheduledThreadPool(int corePoolSize) | 构建核心线程数为 corePoolSize,可执行定时任务的线程池 |
newSingleThreadScheduledExecutor() | 等价于 newScheduledThreadPool(1) |
好了,到此,本文的主要内容就结束了。在本文中,我对线程池的主要原理做了简要分析。虽然只是简要分析,但通过分析并撰写此篇文章,也使我个人对 Java 线程池有了更深的认识。需要说明的是,限于时间原因,本文并未将线程池所有的知识都说一遍。关于其他方面的东西,大家可以自己阅读以下 JDK 文档,或者翻翻源码,我这里就不多说了。
好了,本文到此结束,文中如有不妥错误之处欢迎大家指出。最后感谢大家阅读,下篇文章再见。
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