程序的运行,其本质上,是对系统资源(CPU、内存、磁盘、网络等等)的使用。如何高效的使用这些资源是我们编程优化演进的一个方向。今天说的线程池就是一种对CPU利用的优化手段。
网上有不少介绍如何使用线程池的文章,那我想说点什么呢?我希望通过学习线程池原理,明白所有池化技术的基本设计思路。遇到其他相似问题可以解决。
前面提到一个名词——池化技术,那么到底什么是池化技术呢?
池化技术简单点来说,就是提前保存大量的资源,以备不时之需。在机器资源有限的情况下,使用池化技术可以大大的提高资源的利用率,提升性能等。
在编程领域,比较典型的池化技术有:
本文主要来介绍一下其中比较简单的线程池的实现原理,希望读者们可以举一反三,通过对线程池的理解,学习并掌握所有编程中池化技术的底层原理。
在Java的并发编程中,线程是十分重要的,在Java中,创建一个线程比较简单:
public class App { public static void main(String[] args) throws Exception { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("线程运行中"); } }).start(); } }
我们通过创建一个线程对象,并且实现Runnable接口就可以实现一个简单的线程。可以利用上多核CPU。当一个任务结束,当前线程就接收。
但很多时候,我们不止会执行一个任务。如果每次都是如此的创建线程->执行任务->销毁线程,会造成很大的性能开销。
那能否一个线程创建后,执行完一个任务后,又去执行另一个任务,而不是销毁。这就是线程池。
这也就是池化技术的思想,通过预先创建好多个线程,放在池中,这样可以在需要使用线程的时候直接获取,避免多次重复创建、销毁带来的开销。
以下代码,是在Java中创建线程池:
import java.util.concurrent.*; public class App { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 60L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10)); executorService.execute(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("abcdefg"); } }); executorService.shutdown(); } }
Jdk提供给外部的接口也很简单。直接调用ThreadPoolExecutor构造一个就可以了,也可以通过Executors静态工厂构建,但一般不建议。
可以看到,开发者想要在代码中使用线程池还是比较简单的,这得益于Java给我们封装好的一系列API。但是,这些API的背后是什么呢,让我们来揭开这个迷雾,看清线程池的本质。
通常,一般构造函数会反映出这个工具或这个对象的数据存储结构。
如果把线程池比作一个公司。公司会有正式员工处理正常业务,如果工作量大的话,会雇佣外包人员来工作。
闲时就可以释放外包人员以减少公司管理开销。一个公司因为成本关系,雇佣的人员始终是有最大数。
如果这时候还有任务处理不过来,就走需求池排任务。
接着,我们看一下线程池中比较重要的execute方法,该方法用于向线程池中添加一个任务。
源码
核心模块用红框标记了。
这里逻辑稍微有点复杂,画了个流程图仅供参考
接下来,我们看看如何添加一个工作线程的?
从方法execute的实现可以看出:addWorker主要负责创建新的线程并执行任务,代码如下(这里代码有点长,没关系,也是分块的,总共有5个关键的代码块):
判断线程池的状态,如果线程池的状态值大于或等SHUTDOWN,则不处理提交的任务,直接返回;
通过参数core判断当前需要创建的线程是否为核心线程,如果core为true,且当前线程数小于corePoolSize,则跳出循环,开始创建新的线程
有人或许会疑问 retry 是什么?这个是java中的goto语法。只能运用在break和continue后面。
接着看后面的代码:
线程池的工作线程通过Woker类实现,通过ReentrantLock锁保证线程安全。
接下来,我们看看workers是什么。
一个hashSet。所以,线程池底层的存储结构其实就是一个HashSet。
这两个钩子(beforeExecute,afterExecute)允许我们自己继承线程池,做任务执行前后处理。
到这里,源代码分析到此为止。接下来做一下简单的总结。
所谓线程池本质是一个hashSet。多余的任务会放在阻塞队列中。
只有当阻塞队列满了后,才会触发非核心线程的创建。所以非核心线程只是临时过来打杂的。直到空闲了,然后自己关闭了。
线程池提供了两个钩子(beforeExecute,afterExecute)给我们,我们继承线程池,在执行任务前后做一些事情。
线程池原理关键技术:锁(lock,cas)、阻塞队列、hashSet(资源池)
最后希望对你理解线程池有帮助。最后,留一个思考题,为什么线程池的底层数据接口采用HashSet来实现?
本文来自作者投稿,原作者『林湾村龙猫』,Hollis做了些补充、调整及修改。
【本文是51CTO专栏作者Hollis的原创文章,作者微信公众号Hollis(ID:hollischuang)】
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