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Java线程池的使用和原理

Java技术 winrains 来源:匠丶 1年前 (2019-08-31) 69次浏览
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。在开发过程中,合理地使用线程池能够带来3个好处。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

线程池的使用

创建线程池

可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,//核心线程数量
           int maximumPoolSize,//最大线程数
           long keepAliveTime,//超时时间,超出核心线程数量以外的线程空余存活时间
           TimeUnit unit,//存活时间单位
           BlockingQueue<Runnable> workQueue,//保存执行任务的队列
           ThreadFactory threadFactory,//创建新线程使用的工厂
           RejectedExecutionHandler handler)//当任务无法执行的时候的处理方式

workQueue参数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。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue:一个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,提交的任务不会被真实的保存,而总是将新任务提交给线程执行,如果没有空闲的线程,则尝试创建新的线程,如果线程的数量已经达到了最大值,则执行拒绝策略,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue:一个具有优先级的无限阻塞队列。
handler参数可以以下几个拒绝策略:
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。
当然,也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

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()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。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,参数可以是是RunnableCallable。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futureget()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();
}

关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdownshutdownNow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。

线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池,则有必要对线程池进行监控,方便在出现问题时,可以根据线程池的使用状况快速定位问题。可以通过线程池提供的参数进行监控,在监控线程池的时候可以使用以下属性。
taskCount:线程池需要执行的任务数量。
completedTaskCount:线程池在运行过程中已完成的任务数量,小于或等于taskCount。
largestPoolSize:线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小,则表示线程池曾经满过。
getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话,线程池里的线程不会自动销毁,所以这个大小只增不减。
getActiveCount:获取活动的线程数。
通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池,重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法,也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如,监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。
当向线程池提交一个任务之后,线程池的处理流程如下:

线程池的原理

线程池用一个AtomicInteger来保存 [线程数量] 和 [线程池状态] ,一个int数值一共有32位,高3位用于保存运行状态,低29位用于保存线程数量。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); //一个原子操作类
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; //32-3
private static final int CAPACITY  = (1 << COUNT_BITS) - 1; //将1的二进制向右位移29位,再减1表示最大线程容量
//运行状态保存在int值的高3位 (所有数值左移29位)
private static final int RUNNING   = -1 << COUNT_BITS;// 接收新任务,并执行队列中的任务
private static final int SHUTDOWN  =  0 << COUNT_BITS;// 不接收新任务,但是执行队列中的任务
private static final int STOP    =  1 << COUNT_BITS;// 不接收新任务,不执行队列中的任务,中断正在执行中的任务
private static final int TIDYING   =  2 << COUNT_BITS; //所有的任务都已结束,线程数量为0,处于该状态的线程池即将调用terminated()方法
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;// terminated()方法执行完成
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)   { return c & ~CAPACITY; } //获取运行状态
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; } //获取线程数量

execute()方法源码:

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {// 1.当前池中线程比核心数少,新建一个线程执行任务
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {// 2.核心池已满,但任务队列未满,添加到队列中
        int recheck = ctl.get();
        // 任务成功添加到队列以后,再次检查是否需要添加新的线程,因为已存在的线程可能被销毁了
        if (!isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);// 如果线程池处于非运行状态,并且把当前的任务从任务队列中移除成功,则拒绝该任务
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)// 如果之前的线程已被销毁完,新建一个线程
            addWorker(null, false);
    } else if (!addWorker(command, false)) // 3.核心池已满,队列已满,试着创建一个新线程
        reject(command); // 如果创建新线程失败了,说明线程池被关闭或者线程池完全满了,拒绝任务
}

作者:匠丶

来源:https://www.jianshu.com/p/251d2e51e727


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