线程池原理与实践

2024-02-16 08:30:40

JUC的线程池架构

1.Executor

Executor是Java异步任务的执行者接口，目标是执行目标任务。Executor作为执行者角色，目的是提供一种将“任务提交者”与“任务执行者”分离的机制。它只有一个函数式方法：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

2.ExecutorService

ExecutorService继承于Executor。它对外提供异步任务的接收服务。ExecutorService提供了“接受异步任务并转交给执行者”的方法，比如submit、invoke方法等。具体如下：

public interface ExecutorService extends Executor {

    void shutdown();

    List<Runnable> shutdownNow();

    boolean isShutdown();

    boolean isTerminated();

    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    Future<?> submit(Runnable task);

    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;

    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

3.AbstractExecutorService

AbstractExecutorService是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口。AbstractExecutorService存在的目的是为ExecutorService中的接口提供默认实现。（模板模式）

4.ThreadPoolExecutor

大名鼎鼎的线程池实现类，继承于AbstractExecutorService。它是核心实现类，它可以预先提供指定数量的可重用线程，可以对线程进行管理和监控。

5.ScheduledExecutorService

她继承于ExecutorService。是一个完成延时和周期性任务的接口。

6.Executors

是一个静态工厂类，内置的静态工厂方法可以理解为快捷创建线程池的方法。

线程池原理与实践

Executors的4种快捷创建线程池的方法

newSingleThreadExecutor 创建只有一个线程的线程池

newFixedThreadPool 创建固定大小的线程池

newCachedThreadPool 创建一个不限制线程数量的线程池，任何提交的任务都立即执行，空闲线程会及时回收

newScheduledThreadPool 创建一个可定期或延时执行任务的线程池

  • newSingleThreadExecutor
public static void main(String[] args) {
       final AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0);

       ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();

       for (int i = 0; i < 5; i++) {
           pool.execute(() -> {
               System.out.println(Thread.currentThread() + " ：doing" + "-" + integer.incrementAndGet());
               try {
                   Thread.sleep(500);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
       }

       pool.shutdown();
}

Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-1
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-2
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-3
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-4
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-5

场景：任务按照提交顺序，一个任务一个任务逐个执行。

以上代码最后调用shutdown来关闭线程池。执行shutdown方法后，线程池状态变为shutdown，线程池将拒绝新任务，不能再往线程池中添加新任务。此时，线程池不会立刻退出，直到线程池中的任务处理完成后才会退出。还有一个shutdownNow方法，执行这个后，线程状态变为stop，试图停止所有正在执行的线程，并且不再处理阻塞队列中等待的任务，会返回那些未执行的任务。

  • newFixedThreadPool
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);

Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-1
Thread[pool-1-thread-3,5,main] ：doing-2
Thread[pool-1-thread-2,5,main] ：doing-3
Thread[pool-1-thread-3,5,main] ：doing-4
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-5

适用场景：需要任务长期执行的场景。“固定数量的线程池”能稳定的保证一个数，避免频繁 回收和创建线程，适用于CPU密集型的任务，在CPU被线程长期占用的情况下，能确保少分配线程。

弊端：内部使用*队列存放任务，当有大量任务，队列无限增大，服务器资源迅速耗尽。

newFixedThreadPool工厂方法返回一个ThreadPoolExecutor实例，该线程池实例的corePoolSize数量为参数nThread，其maximumPoolSize数量也为参数nThread，其workQueue属性的值为LinkedBlockingQueue()*阻塞队列。使用Executors创建“固定数量的线程池”的潜在问题主要存在于其workQueue上，其值为LinkedBlockingQueue（*阻塞队列）。如果任务提交速度持续大于任务处理速度，就会造成队列中大量的任务等待。如果队列很大，很有可能导致JVM出现OOM（Out Of Memory）异常，即内存资源耗尽。

  • newCachedThreadPool

线程池内的某些线程无事可干成为空闲线程，可以灵活回收这些空闲线程。

ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();

Thread[pool-1-thread-5,5,main] ：doing-5
Thread[pool-1-thread-1,5,main] ：doing-1
Thread[pool-1-thread-2,5,main] ：doing-2
Thread[pool-1-thread-3,5,main] ：doing-3
Thread[pool-1-thread-4,5,main] ：doing-4

特点：在执行任务时，如果池内所有线程忙，则会添加新线程来处理。不会限制线程的大小，完全依赖于操作系统能够创建的最大线程大小。如果存量线程超过了处理任务数量，就会回收线程。、

适用场景：快速处理突发性强、耗时短的任务场景，如Netty的NIO处理场景、REST API接口的瞬时削峰场景。

弊端：没有最大线程数量限制，如果大量的异步任务提交，服务器资源可能耗尽。

  • newScheduledThreadPool
public static void main(String[] args) {
        final AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0);

        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(5);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            pool.scheduleAtFixedRate(
                    () -> {
                        System.out.println(Thread.currentThread() + " ：doing" + "-" + integer.incrementAndGet());

                    }, 0, 500, TimeUnit.MILLISECONDS);
            // 0表示首次执行任务的执行时间，500表示每次执行任务的间隔时间
        }
//        pool.shutdown();
}

因为可以周期性执行任务，所以不shutdown。

适用场景：周期性执行任务的场景。

线程池的标准创建方式

使用ThreadPoolExecutor构造方法创建，一个比较重要呃构造器如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,核心线程数
                              int maximumPoolSize, 最大线程数
                              long keepAliveTime, TimeUnit unit, 空闲时间
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue, 阻塞队列
                              ThreadFactory threadFactory, 线程工厂（线程产生方式）
                              RejectedExecutionHandler handler 拒绝策略) {
    ...
}

1.核心和最大线程数量

接收新任务时，并且当前工作线程池数少于核心线程数量，即使有工作线程是空闲的，它也会创建新线程处理任务，直到达到核心线程数。

2.BlockingQueue

阻塞队列用于暂时接收任务。

3.KeepAliveTime

设置线程最大空闲时长，如果超过这个时间，非核心线程会被回收。当然，也可以调用allowCoreThreadTimeOut方法将超时策略应用到核心线程。

线程池的任务调度流程

  1. 工作线程数量小于核心线程数量，执行新任务时会优先创建线程，而不是获取空闲线程。
  2. 任务数量大于核心线程数量，新任务将被加入阻塞队列中。执行任务时，也是先从阻塞队列中获取任务。
  3. 在核心线程用完，阻塞队列已满的情况下，会创建非核心线程处理新任务。
  4. 在如果线程池总数超过maximumPoolSize，线程池会拒绝接收任务，为新任务执行拒绝策略。

线程池原理与实践

ThreadFactory（线程工厂）

创建线程方式

阻塞队列

阻塞队列与普通度列相比：阻塞队列为空时，会阻塞当前线程的元素获取操作。当队列中有元素，被阻塞的线程会被自动唤醒。

BlockingQueue是JUC包的一个超级接口，比较常用的实现类有：

（1）ArrayBlockingQueue：数组队列

（2）LinkedBlockingQueue：链表队列

（3）PriorityBlockingQueue：优先级队列

（4）DelayQueue：延迟队列

（5）SynchronousQueue：同步队列

调度器的钩子方法

ThreadPoolExecutor为每个任务执行前后都提供了钩子方法。

// 任务执行之前的钩子方法（前钩子）
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
// 之后（后钩子）
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }
// 终止（停止钩子）
protected void terminated() { }

beforeExecute：可用于重新初始化ThreadLocal线程本地变量实例、更新日志记录、计时统计等。

afterExecute：更新日志记录、计时统计等。

terminated：Executor终止时调用。

演示一下前钩子。

public class TestMain {

    public static void main(String[] args) {
        final ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(
                2,
                4,
                60, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(2)) {
            @Override
            protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
                System.out.println("前钩子嗷 ~ ~ ~ ");
            }
        };

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            pool.execute(() -> {
                System.out.println("你谁啊");
            });
        }
    }
}

线程池拒绝策略

任务被拒绝有两种情况：

  1. 线程池已经关闭。
  2. 工作队列已满且最大线程数已满。

拒绝策略有以下实现：

  • AbortPolicy：拒绝策略。抛异常。
  • DiscardPolicy：抛弃策略。丢弃新来的任务。
  • DiscardOldestPolicy：抛弃最老任务策略。因为队列是队尾进对头出，所以每次都是移除队头元素后再入队。
  • CallerRunsPolicy：调用者执行策略。提交任务线程自己执行任务，不使用线程池中的线程。
  • 自定义策略。实现RejectExecutionHandler接口的rejectedExecution方法。

Re

《Java高并发编程》
（之后补源码）

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