線程池

無限制的創(chuàng)建線程

若采用"為每個任務分配一個線程"的方式會存在一些缺陷，尤其是當需要創(chuàng)建大量線程時：

• 線程生命周期的開銷非常高
• 資源消耗
• 穩(wěn)定性

引入線程池

任務是一組邏輯工作單元，線程則是使任務異步執(zhí)行的機制。當存在大量并發(fā)任務時，創(chuàng)建、銷毀線程需要很大的開銷，運用線程池可以大大減小開銷。

Executor框架

說明：

• Executor 執(zhí)行器接口，該接口定義執(zhí)行Runnable任務的方式。
• ExecutorService 該接口定義提供對Executor的服務。
• ScheduledExecutorService 定時調(diào)度接口。
• AbstractExecutorService 執(zhí)行框架抽象類。
• ThreadPoolExecutor JDK中線程池的具體實現(xiàn)。
• Executors 線程池工廠類。
  

ThreadPoolExecutor線程池類

線程池是一個復雜的任務調(diào)度工具，它涉及到任務、線程池等的生命周期問題。要配置一個線程池是比較復雜的，尤其是對于線程池的原理不是很清楚的情況下，很有可能配置的線程池不是較優(yōu)的。

JDK中的線程池均由ThreadPoolExecutor類實現(xiàn)。其構(gòu)造方法如下：

參數(shù)說明：

• corePoolSize：核心線程數(shù)。
• maximumPoolSize：最大線程數(shù)。
• keepAliveTime：線程存活時間。當線程數(shù)大于core數(shù)，那么超過該時間的線程將會被終結(jié)。
• unit：keepAliveTime的單位。java.util.concurrent.TimeUnit類存在靜態(tài)靜態(tài)屬性：NANOSECONDS、MICROSECONDS、MILLISECONDS、SECONDS
• workQueue：Runnable的阻塞隊列。若線程池已經(jīng)被占滿，則該隊列用于存放無法再放入線程池中的Runnable。

另一個構(gòu)造方法：

該方法在下面的擴展部分有更深入的講解。其中handler表示線程池對拒絕任務的處理策略。

ThreadPoolExecutor的使用需要注意以下概念：

• 若線程池中的線程數(shù)量小于corePoolSize，即使線程池中的線程都處于空閑狀態(tài)，也要創(chuàng)建新的線程來處理被添加的任務。
• 若線程池中的線程數(shù)量等于 corePoolSize且緩沖隊列 workQueue未滿，則任務被放入緩沖隊列。
• 若線程池中線程的數(shù)量大于corePoolSize且緩沖隊列workQueue滿，且線程池中的數(shù)量小于maximumPoolSize，則建新的線程來處理被添加的任務。
• 若線程池中線程的數(shù)量大于corePoolSize且緩沖隊列workQueue滿，且線程池中的數(shù)量等于maximumPoolSize，那么通過 handler所指定的策略來處理此任務。
• 當線程池中的線程數(shù)量大于corePoolSize時，如果某線程空閑時間超過keepAliveTime，線程將被終止。

Executors 工廠方法

JDK內(nèi)部提供了五種最常見的線程池。由Executors類的五個靜態(tài)工廠方法創(chuàng)建。

• newFixedThreadPool(...)
• newSingleThreadExecutor(...)
• newCachedThreadPool(...)
• newScheduledThreadPool(...)
• newSingleThreadScheduledExecutor()
  

單線程的線程池newSingleThreadExecutor

這個線程池只有一個線程在工作，也就是相當于單線程串行執(zhí)行所有任務。

返回單線程的Executor，將多個任務交給此Exector時，這個線程處理完一個任務后接著處理下一個任務，若該線程出現(xiàn)異常，將會有一個新的線程來替代。此線程池保證所有任務的執(zhí)行順序按照任務的提交順序執(zhí)行。

說明：LinkedBlockingQueue會無限的添加需要執(zhí)行的Runnable。

創(chuàng)建固定大小的線程池newFixedThreadPool

每次提交一個任務就創(chuàng)建一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個線程因為執(zhí)行異常而結(jié)束，那么線程池會補充一個新線程。

public static ExecutorSevice newFixedThreadPool()

返回一個包含指定數(shù)目線程的線程池，如果任務數(shù)量多于線程數(shù)目，那么沒有沒有執(zhí)行的任務必須等待，直到有任務完成為止。

可緩存的線程池newCachedThreadPool

如果線程池的大小超過了處理任務所需要的線程，那么就會回收部分空閑（60秒不執(zhí)行任務）的線程，當任務數(shù)增加時，此線程池又可以智能的添加新線程來處理任務。此線程池不會對線程池大小做限制，線程池大小完全依賴于操作系統(tǒng)（或者說JVM）能夠創(chuàng)建的最大線程大小。

newCachedThreadPool方法創(chuàng)建的線程池可以自動的擴展線程池的容量。核心線程數(shù)量為0。

SynchronousQueue是個特殊的隊列。SynchronousQueue隊列的容量為0。當試圖為SynchronousQueue添加Runnable，則執(zhí)行會失敗。只有當一邊從SynchronousQueue取數(shù)據(jù)，一邊向SynchronousQueue添加數(shù)據(jù)才可以成功。SynchronousQueue僅僅起到數(shù)據(jù)交換的作用，并不保存線程。但newCachedThreadPool()方法沒有線程上限。Runable添加到SynchronousQueue會被立刻取出。

根據(jù)用戶的任務數(shù)創(chuàng)建相應的線程來處理，該線程池不會對線程數(shù)目加以限制，完全依賴于JVM能創(chuàng)建線程的數(shù)量，可能引起內(nèi)存不足。

定時任務調(diào)度的線程池newScheduledThreadPool

創(chuàng)建一個大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執(zhí)行任務的需求。

例：

public class ScheduledThreadPoolTest {
  public static void main(String[] args) {
    ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(10);
    ses.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
      
      @Override
      public void run() {
        try {
          Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(new Date());
      }
    }, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
  }
  
}

單線程的定時任務調(diào)度線程池newSingleThreadScheduledExecutor

此線程池支持定時以及周期性執(zhí)行任務的需求。

Executor接口

Executor是一個線程執(zhí)行接口。任務執(zhí)行的主要抽象不是Thead，而是Executor。

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

Executor將任務的提交過程與執(zhí)行過程解耦，并用Runnable來表示任務。執(zhí)行的任務放入run方法中即可，將Runnable接口的實現(xiàn)類交給線程池的execute方法，作為它的一個參數(shù)。如果需要給任務傳遞參數(shù)，可以通過創(chuàng)建一個Runnable接口的實現(xiàn)類來完成。

Executor可以支持多種不同類型的任務執(zhí)行策略。

Executor基于生產(chǎn)者消費者模式，提交任務的操作相當于生產(chǎn)者，執(zhí)行任務的線程則相當于消費者。

ExecutorService接口

線程池接口。ExecutorService在Executor的基礎(chǔ)上增加了一些方法，其中有兩個核心的方法：

Future<?> submit(Runnable task)

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

這兩個方法都是向線程池中提交任務，它們的區(qū)別在于Runnable在執(zhí)行完畢后沒有結(jié)果，Callable執(zhí)行完畢后有一個結(jié)果。這在多個線程中傳遞狀態(tài)和結(jié)果是非常有用的。另外他們的相同點在于都返回一個Future對象。Future對象可以阻塞線程直到運行完畢（獲取結(jié)果，如果有的話），也可以取消任務執(zhí)行，當然也能夠檢測任務是否被取消或者是否執(zhí)行完畢。

在沒有Future之前我們檢測一個線程是否執(zhí)行完畢通常使用Thread.join()或者用一個死循環(huán)加狀態(tài)位來描述線程執(zhí)行完畢?，F(xiàn)在有了更好的方法能夠阻塞線程，檢測任務執(zhí)行完畢甚至取消執(zhí)行中或者未開始執(zhí)行的任務。

ScheduledExecutorService接口

ScheduledExecutorService描述的功能和Timer/TimerTask類似，解決那些需要任務重復執(zhí)行的問題。這包括延遲時間一次性執(zhí)行、延遲時間周期性執(zhí)行以及固定延遲時間周期性執(zhí)行等。當然了繼承ExecutorService的ScheduledExecutorService擁有ExecutorService的全部特性。

線程池生命周期

線程是有多種執(zhí)行狀態(tài)的，同樣管理線程的線程池也有多種狀態(tài)。JVM會在所有線程（非后臺daemon線程）全部終止后才退出，為了節(jié)省資源和有效釋放資源關(guān)閉一個線程池就顯得很重要。有時候無法正確的關(guān)閉線程池，將會阻止JVM的結(jié)束。

線程池Executor是異步的執(zhí)行任務，因此任何時刻不能夠直接獲取提交的任務的狀態(tài)。這些任務有可能已經(jīng)完成，也有可能正在執(zhí)行或者還在排隊等待執(zhí)行。因此關(guān)閉線程池可能出現(xiàn)一下幾種情況：

• 平緩關(guān)閉：已經(jīng)啟動的任務全部執(zhí)行完畢，同時不再接受新的任務。
• 立即關(guān)閉：取消所有正在執(zhí)行和未執(zhí)行的任務。

另外關(guān)閉線程池后對于任務的狀態(tài)應該有相應的反饋信息。

啟動線程池

線程池在構(gòu)造前（new操作）是初始狀態(tài)，一旦構(gòu)造完成線程池就進入了執(zhí)行狀態(tài)RUNNING。嚴格意義上講線程池構(gòu)造完成后并沒有線程被立即啟動，只有進行"預啟動"或者接收到任務的時候才會啟動線程。

線程池是處于運行狀態(tài)，隨時準備接受任務來執(zhí)行。

關(guān)閉線程池

線程池運行中可以通過shutdown()和shutdownNow()來改變運行狀態(tài)。

• shutdown()：平緩的關(guān)閉線程池。線程池停止接受新的任務，同時等待已經(jīng)提交的任務執(zhí)行完畢，包括那些進入隊列還沒有開始的任務。shutdown()方法執(zhí)行過程中，線程池處于SHUTDOWN狀態(tài)。
• shutdownNow()：立即關(guān)閉線程池。線程池停止接受新的任務，同時線程池取消所有執(zhí)行的任務和已經(jīng)進入隊列但是還沒有執(zhí)行的任務。shutdownNow()方法執(zhí)行過程中，線程池處于STOP狀態(tài)。shutdownNow方法本質(zhì)是調(diào)用Thread.interrupt()方法。但我們知道該方法僅僅是讓線程處于interrupted狀態(tài)，并不會讓線程真正的停止！所以若只調(diào)用或只調(diào)用一次shutdownNow()方法，不一定會讓線程池中的線程都關(guān)閉掉，線程中必須要有處理interrupt事件的機制。

線程池結(jié)束

一旦shutdown()或者shutdownNow()執(zhí)行完畢，線程池就進入TERMINATED狀態(tài)，即線程池就結(jié)束了。

• isTerminating() 如果關(guān)閉后所有任務都已完成，則返回true。
• isShutdown() 如果此執(zhí)行程序已關(guān)閉，則返回true。

例：使用固定大小的線程池。并將任務添加到線程池。

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;

public class JavaThreadPool {
  public static void main(String[] args) {
    // 創(chuàng)建一個可重用固定線程數(shù)的線程池
    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
    // 創(chuàng)建實現(xiàn)了Runnable接口對象，Thread對象當然也實現(xiàn)了Runnable接口
    Thread t1 = new MyThread();
    Thread t2 = new MyThread();
    Thread t3 = new MyThread();
    Thread t4 = new MyThread();
    Thread t5 = new MyThread();

    // 將線程放入池中進行執(zhí)行
    pool.execute(t1);
    pool.execute(t2);
    pool.execute(t3);
    pool.execute(t4);
    pool.execute(t5);

    // 關(guān)閉線程池
    pool.shutdown();
  }

}


class MyThread extends Thread {

  @Override
  public void run() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在執(zhí)行。。。");
  }

}

Java線程池擴展

ThreadPoolExecutor線程池的執(zhí)行監(jiān)控

ThreadPoolExecutor中定義了三個空方法，用于監(jiān)控線程的執(zhí)行情況。

ThreadPoolExecutor源碼：

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }

protected void terminated() { }

例：使用覆蓋方法，定義新的線程池。

public class ExtThreadPoolTest {
  
  static class MyTask implements Runnable {
    public String name;
    
    public MyTask(String name) {
      super();
      this.name = name;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(500);
        System.out.println("執(zhí)行中:"+this.name);
        Thread.sleep(500);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5,5,0,TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()){

      @Override
      protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
        System.out.println("準備執(zhí)行:" + ((MyTask)r).name);
      }

      @Override
      protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        System.out.println("執(zhí)行完成:" + ((MyTask)r).name);
      }

      @Override
      protected void terminated() {
        System.out.println("執(zhí)行退出");
      }
      
    };
    
    
    for(int i=0;i<5;i++){
      MyTask task = new MyTask("Task-"+i);
      es.execute(task);
    }
    
    Thread.sleep(10);  // 等待terminated()執(zhí)行
    
    es.shutdown();  // 若無該方法，主線程不會結(jié)束。
  }
  
}

ThreadPoolExecutor的拒絕策略

線程池不可能處理無限多的線程。所以一旦線程池中中需要執(zhí)行的任務過多，線程池對于某些任務就無法處理了。拒絕策略即對這些無法處理的任務進行處理?？赡軄G棄掉這些不能處理的任務，也可能用其他方式。

ThreadPoolExecutor類還有另一個構(gòu)造方法。該構(gòu)造方法中的RejectedExecutionHandler用于定義拒絕策略。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
               int maximumPoolSize,
               long keepAliveTime,
               TimeUnit unit,
               BlockingQueue<Runnable> workQueue,
               ThreadFactory threadFactory,
               RejectedExecutionHandler handler) {
  
  .....
  
  }

JDK內(nèi)部已經(jīng)提供一些拒絕策略。

AbortPolicy一旦線程不能處理，則拋出異常。

AbortPolicy源碼：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Creates an {@code AbortPolicy}.
     */
    public AbortPolicy() { }

    /**
     * Always throws RejectedExecutionException.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     * @throws RejectedExecutionException always.
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                         " rejected from " +
                         e.toString());
    }
  }

DiscardPolicy 一旦線程不能處理，則丟棄任務。

DiscardPolicy源碼：

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Creates a {@code DiscardPolicy}.
     */
    public DiscardPolicy() { }


    /**
     * Does nothing, which has the effect of discarding task r.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    }

  }

CallerRunsPolicy 一旦線程不能處理，則將任務返回給提交任務的線程處理。

CallerRunsPolicy源碼：

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
     */
    public CallerRunsPolicy() { }

 
    /**
     * Executes task r in the caller's thread, unless the executor
     * has been shut down, in which case the task is discarded.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        r.run();
      }
    }
  }

DiscardOldestPolicy 一旦線程不能處理，丟棄掉隊列中最老的任務。

DiscardOldestPolicy源碼：

public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
     */
    public DiscardOldestPolicy() { }

    /**
     * Obtains and ignores the next task that the executor
     * would otherwise execute, if one is immediately available,
     * and then retries execution of task r, unless the executor
     * is shut down, in which case task r is instead discarded.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        e.getQueue().poll();
        e.execute(r);
      }
    }
  }

例：自定義拒絕策略。打印并丟棄無法處理的任務。

public class RejectedPolicyHandleTest {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5,5,0,TimeUnit.MILLISECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>(),Executors.defaultThreadFactory(),new RejectedExecutionHandler() {
      
      @Override
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        // 打印并丟棄。
        System.out.println(r.toString()+" is discard");
      }
    });
    
    for(int i=0;i<Integer.MAX_VALUE;i++){
      MyTask task = new MyTask("Task-"+i);
      es.execute(task);
      Thread.sleep(10);
    }
    
    es.shutdown();  // 若無該方法，主線程不會結(jié)束。
    
  }
}

ThreadFactory 線程工廠

ThreadPoolExecutor類構(gòu)造器的參數(shù)其中之一即為ThreadFactory線程工廠。

ThreadFactory用于創(chuàng)建線程池中的線程。

public interface ThreadFactory {
  Thread newThread(Runnable r);
}

ThreadFactory的實現(xiàn)類中一般定義線程了線程組，線程數(shù)與線程名稱。

DefaultThreadFactory源碼：

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
    private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
    private final ThreadGroup group;
    private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
    private final String namePrefix;

    DefaultThreadFactory() {
      SecurityManager s = System.getSecurityManager();
      group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                 Thread.currentThread().getThreadGroup();
      namePrefix = "pool-" +
             poolNumber.getAndIncrement() +
             "-thread-";
    }

    public Thread newThread(Runnable r) {
      Thread t = new Thread(group, r,
                 namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                 0);
      if (t.isDaemon())
        t.setDaemon(false);
      if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
        t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
      return t;
    }
  }

CompletionService接口

這里需要稍微提一下的是CompletionService接口，它是用于描述順序獲取執(zhí)行結(jié)果的一個線程池包裝器。它依賴一個具體的線程池調(diào)度，但是能夠根據(jù)任務的執(zhí)行先后順序得到執(zhí)行結(jié)果，這在某些情況下可能提高并發(fā)效率。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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