Java多线程之线程池
Contents
一、线程池简介
1.1 什么是线程池
线程池是一种多线程处理形式,处理过程中将任务添加到队列,然后在创建线程后自动启动这些任务。
1.2 为什么要用线程池
如果并发请求数量很多,但每个线程执行的时间很短,就会出现频繁的创建和销毁线程。如此一来,会大大降低系统的效率,可能频繁创建和销毁线程的时间、资源开销要大于实际工作的所需。
正是由于这个问题,所以有必要引入线程池。使用线程池的好处有以下几点:
- 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,如果无限制的创建,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的分配,调优和监控。但是要做到合理的利用线程池,必须对其原理了如指掌。
二、Executor 框架
Executor 框架是一个根据一组执行策略调用,调度,执行和控制的异步任务的框架,目的是提供一种将”任务提交”与”任务如何运行”分离开来的机制。
2.1 核心 API
Executor
- 运行任务的简单接口。ExecutorService
- 扩展了 Executor 接口。扩展能力:- 支持有返回值的线程;
- 支持管理线程的生命周期。
ScheduledExecutorService
- 扩展了 ExecutorService 接口。扩展能力:支持定期执行任务。AbstractExecutorService
- ExecutorService 接口的默认实现。ThreadPoolExecutor
- Executor 框架最核心的类,它继承了 AbstractExecutorService 类。ScheduledThreadPoolExecutor
- ScheduledExecutorService 接口的实现,一个可定时调度任务的线程池。Executors
- 可以通过调用 Executors 的静态工厂方法来创建线程池并返回一个 ExecutorService 对象。
2.2 Executor
Executor
接口中只定义了一个 execute
方法,用于接收一个 Runnable
对象。
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2.3 ExecutorService
ExecutorService
接口继承了 Executor
接口,它还提供了 invokeAll、invokeAny、shutdown、submit
等方法。
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从其支持的方法定义,不难看出:相比于 Executor 接口,ExecutorService 接口主要的扩展是:
- 支持有返回值的线程 - sumbit、invokeAll、invokeAny 方法中都支持传入Callable 对象。
- 支持管理线程生命周期 - shutdown、shutdownNow、isShutdown 等方法。
2.4 ScheduledExecutorService
ScheduledExecutorService 接口扩展了 ExecutorService 接口。
它除了支持前面两个接口的所有能力以外,还支持定时调度线程。
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其扩展的接口提供以下能力:
schedule
方法可以在指定的延时后执行一个 Runnable 或者 Callable 任务。scheduleAtFixedRate
方法和scheduleWithFixedDelay
方法可以按照指定时间间隔,定期执行任务。
三、ThreadPoolExecutor
java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor
类是 Executor 框架中最核心的类。所以,本文将着重讲述一下这个类。
3.1 重要字段
ThreadPoolExecutor
有以下重要字段:
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参数说明:
- ctl - 用于控制线程池的运行状态和线程池中的有效线程数量。它包含两部分的信息:
- 线程池的运行状态 (runState)
- 线程池内有效线程的数量 (workerCount)
- 可以看到,ctl 使用了 Integer 类型来保存,高 3 位保存 runState,低 29 位保存 workerCount。COUNT_BITS 就是 29,CAPACITY 就是 1 左移 29 位减 1(29 个 1),这个常量表示 workerCount 的上限值,大约是 5 亿。
- 运行状态 - 线程池一共有五种运行状态:
RUNNING
- 运行状态。接受新任务,并且也能处理阻塞队列中的任务。SHUTDOWN
- 关闭状态。不接受新任务,但可以处理阻塞队列中的任务。- 在线程池处于
RUNNING
状态时,调用shutdown
方法会使线程池进入到该状态。 finalize
方法在执行过程中也会调用shutdown
方法进入该状态。
- 在线程池处于
STOP
- 停止状态。不接受新任务,也不处理队列中的任务。会中断正在处理任务的线程。在线程池处于 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态时,调用 shutdownNow 方法会使线程池进入到该状态。TIDYING
- 整理状态。如果所有的任务都已终止了,workerCount (有效线程数) 为 0,线程池进入该状态后会调用 terminated 方法进入 TERMINATED 状态。TERMINATED
- 已终止状态。在 terminated 方法执行完后进入该状态。默认 terminated 方法中什么也没有做。进入 TERMINATED 的条件如下:- 线程池不是
RUNNING
状态; - 线程池状态不是
TIDYING
状态或TERMINATED
状态; - 如果线程池状态是
SHUTDOWN
并且workerQueue
为空; workerCount
为 0;- 设置
TIDYING
状态成功。
- 线程池不是
3.2 构造方法
ThreadPoolExecutor
有四个构造方法,前三个都是基于第四个实现。第四个构造方法定义如下:
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参数说明:
corePoolSize
- 核心线程数量。当有新任务通过 execute 方法提交时 ,线程池会执行以下判断:- 如果运行的线程数少于 corePoolSize,则创建新线程来处理任务,即使线程池中的其他线程是空闲的。
- 如果线程池中的线程数量大于等于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize,则只有当 workQueue 满时才创建新的线程去处理任务;
- 如果设置的
corePoolSize
和maximumPoolSize
相同,则创建的线程池的大小是固定的。这时如果有新任务提交,若 workQueue 未满,则将请求放入 workQueue 中,等待有空闲的线程去从 workQueue 中取任务并处理; - 如果运行的线程数量大于等于
maximumPoolSize
,这时如果 workQueue 已经满了,则使用 handler 所指定的策略来处理任务; - 所以,任务提交时,判断的顺序为
corePoolSize
=>workQueue
=>maximumPoolSize
。
maximumPoolSize
- 最大线程数量。- 如果队列满了,并且已创建的线程数小于最大线程数,则线程池会再创建新的线程执行任务。
- 值得注意的是:如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
keepAliveTime
:线程保持活动的时间。- 当线程池中的线程数量大于
corePoolSize
的时候,如果这时没有新的任务提交,核心线程外的线程不会立即销毁,而是会等待,直到等待的时间超过了keepAliveTime
。 - 所以,如果任务很多,并且每个任务执行的时间比较短,可以调大这个时间,提高线程的利用率。
- 当线程池中的线程数量大于
unit
- keepAliveTime 的时间单位。有 7 种取值。可选的单位有天(DAYS),小时(HOURS),分钟(MINUTES),毫秒(MILLISECONDS),微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。workQueue
- 等待执行的任务队列。用于保存等待执行的任务的阻塞队列。 可以选择以下几个阻塞队列。ArrayBlockingQueue
- 有界阻塞队列。- 此队列是基于数组的先进先出队列(FIFO)。
- 此队列创建时必须指定大小。
LinkedBlockingQueue
- 无界阻塞队列。- 此队列是基于链表的先进先出队列(FIFO)。
- 如果创建时没有指定此队列大小,则默认为 Integer.MAX_VALUE。
- 吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。
- 使用 LinkedBlockingQueue 意味着: maximumPoolSize 将不起作用,线程池能创建的最大线程数为 corePoolSize,因为任务等待队列是无界队列。
- Executors.newFixedThreadPool 使用了这个队列。
SynchronousQueue
- 不会保存提交的任务,而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。- 每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作,否则插入操作一直处于阻塞状态。
- 吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue。
- Executors.newCachedThreadPool 使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue
- 具有优先级的无界阻塞队列。
threadFactory
- 线程工厂。可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。本质是 new 一个 Thread。handler
- 饱和策略。它是 RejectedExecutionHandler 类型的变量。当队列和线程池都满了,说明线程池处于饱和状态,那么必须采取一种策略处理提交的新任务。线程池支持以下策略:AbortPolicy
- 丢弃任务并抛出异常。这也是默认策略。DiscardPolicy
- 丢弃任务,但不抛出异常。DiscardOldestPolicy
- 丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)。CallerRunsPolicy
- 直接调用 run 方法并且阻塞执行。- 如果以上策略都不能满足需要,也可以通过实现 RejectedExecutionHandler 接口来定制处理策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
3.3 execute 方法
默认情况下,创建线程池之后,线程池中是没有线程的,需要提交任务之后才会创建线程。
提交任务可以使用 execute
方法,它是 ThreadPoolExecutor
的核心方法,通过这个方法可以向线程池提交一个任务,交由线程池去执行。
execute
方法工作流程如下:
- 如果 workerCount < corePoolSize,则创建并启动一个线程来执行新提交的任务;
- 如果 workerCount >= corePoolSize,且线程池内的阻塞队列未满,则将任务添加到该阻塞队列中;
- 如果 workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize,且线程池内的阻塞队列已满,则创建并启动一个线程来执行新提交的任务;
- 如果workerCount >= maximumPoolSize,并且线程池内的阻塞队列已满,则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。
3.4 其他重要方法
在 ThreadPoolExecutor 类中还有一些重要的方法:
submit
- 类似于execute
,但是针对的是有返回值的线程。submit 方法是在ExecutorService
中声明的方法,在AbstractExecutorService
就已经有了具体的实现。ThreadPoolExecutor 直接复用 AbstractExecutorService 的 submit 方法。shutdown
- 不会立即终止线程池,而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止,但再也不会接受新的任务。- 将线程池切换到 SHUTDOWN 状态;
- 并调用
interruptIdleWorkers
方法请求中断所有空闲的worker;
- 最后调用
tryTerminate
尝试结束线程池。
shutdownNow
- 立即终止线程池,并尝试打断正在执行的任务,并且清空任务缓存队列,返回尚未执行的任务。与 shutdown 方法类似,不同的地方在于:- 设置状态为 STOP;
- 中断所有工作线程,无论是否是空闲的;
- 取出阻塞队列中没有被执行的任务并返回。
isShutdown
- 调用了 shutdown 或 shutdownNow 方法后,isShutdown 方法就会返回 true。isTerminaed
- 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。getTaskCount
- 线程池已经执行的和未执行的任务总数;getCompletedTaskCount
- 线程池已完成的任务数量,该值小于等于 taskCount;
四、 Executors
JDK 的 Executors 类中提供了几种具有代表性的线程池,这些线程池 都是基于 ThreadPoolExecutor 的定制化实现。
4.1 newSingleThreadExecutor
创建一个单线程的线程池。
只会创建唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。 如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。
corePoolSize
与maxPoolSize
都为 1;阻塞队列无限长度。
单工作线程最大的特点是:可保证顺序地执行各个任务。
4.2 newFixedThreadPool
创建一个固定大小的线程池。
每次提交一个任务就会新创建一个工作线程,如果工作线程数量达到线程池最大线程数,则将提交的任务存入到阻塞队列中。
FixedThreadPool 是一个典型且优秀的线程池,它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是,在线程池空闲时,即线程池中没有可运行任务时,它不会释放工作线程,还会占用一定的系统资源。
corePoolSize
与maxPoolSize
都为设定长度 n;阻塞队列无限长度。
4.3. newCachedThreadPool
创建一个可缓存的线程池。
- 如果线程池大小超过处理任务所需要的线程数,就会回收部分空闲的线程;()
- 如果长时间没有往线程池中提交任务,即如果工作线程空闲了指定的时间(默认为 1 分钟),则该工作线程将自动终止。终止后,如果你又提交了新的任务,则线程池重新创建一个工作线程。
- 此线程池不会对线程池大小做限制,线程池大小完全依赖于操作系统(或者说 JVM)能够创建的最大线程大小。 因此,使用 CachedThreadPool 时,一定要注意控制任务的数量,否则,由于大量线程同时运行,很有会造成系统瘫痪。
corePoolSize
设定长度 0;maxPoolSize
设定长度 Integer.MAX_VAUE;阻塞队列无限长度。
4.4 newScheduleThreadPool
创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。
可以自定义设定
corePoolSize
大小。返回的对象是ScheduledThreadPoolExecutor
。
Author 拾光
LastMod 2022-04-15