Java中的线程池

Java基础

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2019-9-8

1.简介

使用线程池可以避免线程的频繁创建以及销毁。

JAVA中提供的用于实现线程池的API:

Executor、ExecutorService、AbstractExecutorService、ThreadPoolExecutor、ForkJoinPool都位于java.util.concurrent包下。

*ThreadPoolExecutor、ForkJoinPool为线程池的实现类。 

2.Executor

public interface Executor {

    /**
     * 向线程池提交一个任务,交由线程池去执行
     */
    void execute(Runnable command);

}

*该接口声明了execute(Runnable command)方法,负责向线程池中提交一个任务。

3.ExecutorService接口

public interface ExecutorService extends Executor {

    /**
     * 关闭线程池(等待队列中的任务被执行完毕)
     */
    void shutdown();

    /**
     * 立刻关闭线程池(不执行队列中的任务,并尝试中断当前执行的任务)
     */
    List<Runnable> shutdownNow();

    /**
     * 判断线程池是否处于shutdown状态.
     */
    boolean isShutdown();

    /**
     * 判断线程池是否处于terminated状态.
     */
    boolean isTerminated();

    /**
     * 若在指定时间内线程池处于terminated状态则立即返回true,否则超过时间后仍未为terminated状态则返回false.
     */
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 向线程池提交一个任务并返回包含指定类型的Future(根据Callable的泛型)
     */
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    /**
     * 向线程池提交一个任务并指定任务执行结果的类型,返回包含指定类型的Future.
     */
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    /**
     * 向线程池提交一个任务并返回未知类型的Future.
     */
    Future<?> submit(Runnable task);

    /**
     * 向线程池提交多个任务并返回指定类型的Future列表.
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

    /**
     * 向线程池提交多个任务并返回指定类型的Future列表,如果在指定时间内没有执行完毕则直接返回.
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
     
    /**
     * 向线程池提交多个任务,当任意一个任务执行完毕后返回指定类型的Future.
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 向线程池提交多个任务,在指定时间内,当任意一个任务执行完毕后返回指定类型的Future,若超时则抛出异常.
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
public interface Future<V> {

    /**
     * 中断任务的执行
     */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    /**
     * 判断任务是否中断成功
     */
    boolean isCancelled();

    /**
     * 判断任务是否执行完成
     */
    boolean isDone();
    
    /**
     * 获取任务的执行结果直到任务执行完毕(阻塞线程)
     */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
  
    /**
     * 获取任务的执行结果,若在指定时间内任务仍然没有执行完毕则抛出TimeoutException
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

*execute()方法不能获取任务的执行结果,而submit()方法能够根据返回的Future实例获取任务的执行结果。

4.ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor声明的核心属性

corePoolSize:线程池中核心线程的数量。

maximumPoolSize:线程池中最大线程数。

keepAliveTime:线程的空闲时间。

unit:修饰线程空闲时间的单位。

workQueue:任务队列。

threadFactory:线程工厂,用于创建线程。

handler:当队列已满且当前线程数已达到所允许的最大值时的处理策略。

*线程池中的线程包括核心线程以及普通线程,核心线程一旦创建后直到线程池被关闭前都就不会被销毁,而普通线程会因为到达空闲时间而被销毁。

构造方法:

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

BlockingQueue的类型 

BlockingQueue提供了ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue等实现类。

1.ArrayBlockingQueue:使用顺序表的结构进行存储,在使用时需要指定其长度,支持公平锁/非公平锁进行操作。

2.LinkedBlockingQueue:使用链表的结构进行存储,在使用时不需要指定其长度,队列的最大长度为Integer.MAX_VALUE。

3.SynchronousQueue:一个不存储元素的队列,每一个put操作必须等待take操作,否则不能添加元素,支持公平锁和非公平锁。

*这些实现类在进行入队和出队操作时都会进行加锁,以保证在多线程并发访问时数据的安全性。

队列已满且线程数已达到所允许的最大值时的处理策略

RejectedExecutionHandler提供了AbortPolicy、DiscardPolicy、DiscardOlderstPolicy、CallerRunsPolicy四个策略,这四个策略都是ThreadPoolExecutor的静态内部类。

1.AbortPolicy:放弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。

2.DiscardPolicy:放弃任务但不抛出异常。

3.DiscardOlderstPolicy: 放弃队头中的任务,然后重新尝试执行新任务。

4.CallerRunsPolicy: 由调用线程来处理该任务。

线程池的状态

private static final int RUNNING    = -1;
private static final int SHUTDOWN   =  0; 
private static final int STOP       =  1;
private static final int TIDYING    =  2; 
private static final int TERMINATED =  3;

1.RUNING:线程池处于运行状态,此时可以接受新的任务请求,并且执行队列中的任务。

2.SHUTDOWN:线程池处于关闭状态,此时不接受新的任务请求,但会继续执行队列中的任务。

3.STOP:线程池处于禁用状态,此时不接受新的任务请求,并且不会执行队列中的任务。

4.TIDYING:线程池处于整理状态,此时没有正在执行的任务。

5.TERMINATED :线程池处于终止状态。

线程池状态的变化过程

1.当线程池创建后处于RUNNING状态。

2.1 若此时调用了shutdown()方法,那么线程池将处于SHUTDOWN状态,不接受新的任务请求,但会继续执行队列中的任务,当队列中的任务为空且没有正在执行的任务时,线程池的状态为TIDYING。

2.2 若此时调用了shutdownNow()方法,那么线程池将处于STOP状态,不接受新的任务请求并且不执行队列中的任务,此时线程池的状态为TIDYING。

3.当线程池的状态为TIDYING时,当terminated()方法处理完毕后,线程池的状态为TRRMINATED。

任务的执行流程

1.当调用了execute()或者submit()方法向线程池提交一个任务后,首先判断当前线程池中的线程个数是否大于核心线程数。

2.如果当前线程池的线程个数小于核心线程数,则创建一个核心线程来处理任务。

3.如果当前线程池的线程个数大于核心线程数,则将任务放入到队列中,如果放入队列成功,那么该任务将等待被空闲的线程处理,如果放入队列失败(队满),则判断当前线程池中的线程个数是否达到所允许的最大值,若未达到则创建一个普通线程去处理任务,否则根据预定义的处理策略去进行处理。

5.Executors工具类

JAVA中提供了Executors工具类,用于直接创建Executor。

CacheThreadPool

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

CacheThreadPool创建的都是普通线程(其核心线程数为0)、线程池的最大线程数为Integer.MAX_VALUE、线程的空闲时间为60秒,此方式适合大量耗时短的任务、不适合大量耗时长的任务。

*由于创建的都是普通线程,且空闲时间为60秒,则仍有可能会频繁的创建线程。

FixedThreadPool

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

FixedThreadPool创建的都是核心线程,其线程个数由入参决定,线程不会因为空闲时间而被销毁,适合预知任务数量的业务。

SingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

SingleThreadExecutor使用一个核心线程来处理任务。

ScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

*ScheduledThreadPool支持定时执行任务以及固定间隔执行任务。

SingleThreadScheduledExecutor

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
        return new DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
}

*SingleThreadScheduledExecutor支持一个线程的定时执行任务以及固定间隔执行任务。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    /**
     * 在指定的延迟时间到达后执行任务一次
     */
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 在指定的延迟时间到达后执行任务一次
     */
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 在指定的初始化延迟时间到达后执行任务一次,往后每隔period时间执行任务一次.
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit);

    /**
     * 在指定的初始化延迟时间到达后执行任务一次,往后每次任务执行完毕后相隔delay时间执行任务一次.
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit);

}

WorkStealingPool

public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) {
        return new ForkJoinPool(parallelism,ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,null, true);
}

WorkStealingPool创建一个并行级别的线程池,同一时刻最多只能有指定个数个线程正在执行任务,创建时直接指定同一时刻最多能允许的并行执行的线程个数即可,如果不传则使用CPU的核数。

newWorkStealingPool方法内部返回一个ForkJoinPool实例,ForkJoinPool是JAVA7新提供的线程池,同样继承AbstactExecutorService。

*作用类似于Semaphore。 

作者:辣鸡小篮子