Java 線程池原理

Executor框架的兩級(jí)調(diào)度模型

在HotSpot VM的模型中，Java線程被一對(duì)一映射為本地操作系統(tǒng)線程。JAVA線程啟動(dòng)時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)本地操作系統(tǒng)線程，當(dāng)JAVA線程終止時(shí)，對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)線程也被銷(xiāo)毀回收，而操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)度所有線程并將它們分配給可用的CPU。

在上層，JAVA程序會(huì)將應(yīng)用分解為多個(gè)任務(wù)，然后使用應(yīng)用級(jí)的調(diào)度器（Executor）將這些任務(wù)映射成固定數(shù)量的線程；在底層，操作系統(tǒng)內(nèi)核將這些線程映射到硬件處理器上。

Executor框架類(lèi)圖

在前面介紹的JAVA線程既是工作單元，也是執(zhí)行機(jī)制。而在Executor框架中，我們將工作單元與執(zhí)行機(jī)制分離開(kāi)來(lái)。Runnable和Callable是工作單元（也就是俗稱(chēng)的任務(wù)），而執(zhí)行機(jī)制由Executor來(lái)提供。這樣一來(lái)Executor是基于生產(chǎn)者消費(fèi)者模式的，提交任務(wù)的操作相當(dāng)于生成者，執(zhí)行任務(wù)的線程相當(dāng)于消費(fèi)者。

1、從類(lèi)圖上看，Executor接口是異步任務(wù)執(zhí)行框架的基礎(chǔ)，該框架能夠支持多種不同類(lèi)型的任務(wù)執(zhí)行策略。

public interface Executor {

  void execute(Runnable command);
}

Executor接口就提供了一個(gè)執(zhí)行方法，任務(wù)是Runnbale類(lèi)型，不支持Callable類(lèi)型。

2、ExecutorService接口實(shí)現(xiàn)了Executor接口，主要提供了關(guān)閉線程池和submit方法：

public interface ExecutorService extends Executor {

  List<Runnable> shutdownNow();


  boolean isTerminated();


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

 }

另外該接口有兩個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)類(lèi)：ThreadPoolExecutor與ScheduledThreadPoolExecutor。

其中ThreadPoolExecutor是線程池的核心實(shí)現(xiàn)類(lèi)，用來(lái)執(zhí)行被提交的任務(wù)；而ScheduledThreadPoolExecutor是一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)，可以在給定的延遲后運(yùn)行任務(wù)，或者定期執(zhí)行命令。

在上一篇文章中，我是使用ThreadPoolExecutor來(lái)通過(guò)給定不同的參數(shù)從而創(chuàng)建自己所需的線程池，但是在后面的工作中不建議這種方式，推薦使用Exectuors工廠方法來(lái)創(chuàng)建線程池

這里先來(lái)區(qū)別線程池和線程組（ThreadGroup與ThreadPoolExecutor）這兩個(gè)概念：

a、線程組就表示一個(gè)線程的集合。

b、線程池是為線程的生命周期開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題和資源不足問(wèn)題提供解決方案，主要是用來(lái)管理線程。

Executors可以創(chuàng)建3種類(lèi)型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadExecutor和CachedThreadPool

a、SingleThreadExecutor：?jiǎn)尉€程線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
      (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
  }

我們從源碼來(lái)看可以知道，單線程線程池的創(chuàng)建也是通過(guò)ThreadPoolExecutor，里面的核心線程數(shù)和線程數(shù)都是1，并且工作隊(duì)列使用的是無(wú)界隊(duì)列。由于是單線程工作，每次只能處理一個(gè)任務(wù)，所以后面所有的任務(wù)都被阻塞在工作隊(duì)列中，只能一個(gè)個(gè)任務(wù)執(zhí)行。

b、FixedThreadExecutor：固定大小線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
  }

這個(gè)與單線程類(lèi)似，只是創(chuàng)建了固定大小的線程數(shù)量。

c、CachedThreadPool:無(wú)界線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                   60L, TimeUnit.SECONDS,
                   new SynchronousQueue<Runnable>());
  }

無(wú)界線程池意味著沒(méi)有工作隊(duì)列，任務(wù)進(jìn)來(lái)就執(zhí)行，線程數(shù)量不夠就創(chuàng)建，與前面兩個(gè)的區(qū)別是：空閑的線程會(huì)被回收掉，空閑的時(shí)間是60s。這個(gè)適用于執(zhí)行很多短期異步的小程序或者負(fù)載較輕的服務(wù)器。

Callable、Future、FutureTash詳解

Callable與Future是在JAVA的后續(xù)版本中引入進(jìn)來(lái)的，Callable類(lèi)似于Runnable接口，實(shí)現(xiàn)Callable接口的類(lèi)與實(shí)現(xiàn)Runnable的類(lèi)都是可以被線程執(zhí)行的任務(wù)。

三者之間的關(guān)系：

Callable是Runnable封裝的異步運(yùn)算任務(wù)。

Future用來(lái)保存Callable異步運(yùn)算的結(jié)果

FutureTask封裝Future的實(shí)體類(lèi)

1、Callable與Runnbale的區(qū)別

a、Callable定義的方法是call，而Runnable定義的方法是run。

b、call方法有返回值，而run方法是沒(méi)有返回值的。

c、call方法可以拋出異常，而run方法不能拋出異常。

2、Future

Future表示異步計(jì)算的結(jié)果，提供了以下方法，主要是判斷任務(wù)是否完成、中斷任務(wù)、獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果

public interface Future<V> {
 
   boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 
   boolean isCancelled();
 
   boolean isDone();
 
   V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
 
   V get(long timeout, TimeUnit unit)
     throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
 }

3、FutureTask

可取消的異步計(jì)算，此類(lèi)提供了對(duì)Future的基本實(shí)現(xiàn)，僅在計(jì)算完成時(shí)才能獲取結(jié)果，如果計(jì)算尚未完成，則阻塞get方法。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

FutureTask不僅實(shí)現(xiàn)了Future接口，還實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，所以不僅可以將FutureTask當(dāng)成一個(gè)任務(wù)交給Executor來(lái)執(zhí)行，還可以通過(guò)Thread來(lái)創(chuàng)建一個(gè)線程。

Callable與FutureTask

定義一個(gè)callable的任務(wù)：

public class MyCallableTask implements Callable<Integer>
 {
   @Override
   public Integer call()
     throws Exception
   {
     System.out.println("callable do somothing");
     Thread.sleep(5000);
     return new Random().nextInt(100);
   }
 }

public class CallableTest
 {
   public static void main(String[] args) throws Exception
   {
     Callable<Integer> callable = new MyCallableTask();
     FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(callable);
     Thread thread = new Thread(future);
     thread.start();
     Thread.sleep(100);
     //嘗試取消對(duì)此任務(wù)的執(zhí)行
     future.cancel(true);
     //判斷是否在任務(wù)正常完成前取消
     System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());
     if(!future.isCancelled())
     {
       System.out.println("future is cancelled");
     }
     //判斷任務(wù)是否已完成
     System.out.println("future is done:" + future.isDone());
     if(!future.isDone())
     {
       System.out.println("future get=" + future.get());
     }
     else
     {
       //任務(wù)已完成
       System.out.println("task is done");
     }
   }
 }

執(zhí)行結(jié)果：

callable do somothing
future is cancel:true
future is done:true
task is done

這個(gè)DEMO主要是通過(guò)調(diào)用FutureTask的狀態(tài)設(shè)置的方法，演示了狀態(tài)的變遷。

a、第11行，嘗試取消對(duì)任務(wù)的執(zhí)行，該方法如果由于任務(wù)已完成、已取消則返回false，如果能夠取消還未完成的任務(wù)，則返回true，該DEMO中由于任務(wù)還在休眠狀態(tài)，所以可以取消成功。

future.cancel(true);

b、第13行，判斷任務(wù)取消是否成功：如果在任務(wù)正常完成前將其取消，則返回true

System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());

c、第19行，判斷任務(wù)是否完成：如果任務(wù)完成，則返回true，以下幾種情況都屬于任務(wù)完成：正常終止、異常或者取消而完成。

我們的DEMO中，任務(wù)是由于取消而導(dǎo)致完成。

 System.out.println("future is done:" + future.isDone());

d、在第22行，獲取異步線程執(zhí)行的結(jié)果，我這個(gè)DEMO中沒(méi)有執(zhí)行到這里，需要注意的是，future.get方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程， 直到任務(wù)執(zhí)行完成返回結(jié)果為止。

System.out.println("future get=" + future.get());

Callable與Future

public class CallableThread implements Callable<String>
{
  @Override
  public String call()
    throws Exception
  {
    System.out.println("進(jìn)入Call方法，開(kāi)始休眠，休眠時(shí)間為：" + System.currentTimeMillis());
    Thread.sleep(10000);
    return "今天停電";
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception
  {
    ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
    Callable<String> call = new CallableThread();
    Future<String> fu = es.submit(call);
    es.shutdown();
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主線程休眠5秒，當(dāng)前時(shí)間" + System.currentTimeMillis());
    String str = fu.get();
    System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù)，str=" + str + ";當(dāng)前時(shí)間為：" + System.currentTimeMillis());
  }
}

執(zhí)行結(jié)果：

進(jìn)入Call方法，開(kāi)始休眠，休眠時(shí)間為：1478606602676
主線程休眠5秒，當(dāng)前時(shí)間1478606608676
Future已拿到數(shù)據(jù)，str=今天停電;當(dāng)前時(shí)間為：1478606612677

這里的future是直接扔到線程池里面去執(zhí)行的。由于要打印任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，所以從執(zhí)行結(jié)果來(lái)看，主線程雖然休眠了5s，但是從Call方法執(zhí)行到拿到任務(wù)的結(jié)果，這中間的時(shí)間差正好是10s，說(shuō)明get方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到任務(wù)完成。

通過(guò)FutureTask也可以達(dá)到同樣的效果：

public static void main(String[] args) throws Exception
  {
   ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
   Callable<String> call = new CallableThread();
   FutureTask<String> task = new FutureTask<String>(call);
   es.submit(task);
   es.shutdown();
   Thread.sleep(5000);
   System.out.println("主線程等待5秒，當(dāng)前時(shí)間為：" + System.currentTimeMillis());
   String str = task.get();
   System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù)，str=" + str + ";當(dāng)前時(shí)間為：" + System.currentTimeMillis());
  }

以上的組合可以給我們帶來(lái)這樣的一些變化：

如有一種場(chǎng)景中，方法A返回一個(gè)數(shù)據(jù)需要10s,A方法后面的代碼運(yùn)行需要20s，但是這20s的執(zhí)行過(guò)程中，只有后面10s依賴(lài)于方法A執(zhí)行的結(jié)果。如果與以往一樣采用同步的方式，勢(shì)必會(huì)有10s的時(shí)間被浪費(fèi)，如果采用前面兩種組合，則效率會(huì)提高：

1、先把A方法的內(nèi)容放到Callable實(shí)現(xiàn)類(lèi)的call()方法中

2、在主線程中通過(guò)線程池執(zhí)行A任務(wù)

3、執(zhí)行后面方法中10秒不依賴(lài)方法A運(yùn)行結(jié)果的代碼

4、獲取方法A的運(yùn)行結(jié)果，執(zhí)行后面方法中10秒依賴(lài)方法A運(yùn)行結(jié)果的代碼

這樣代碼執(zhí)行效率一下子就提高了，程序不必卡在A方法處。

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