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深入理解Java之线程池

发布时间:2017-07-15 00:00:47
原作者:海子   出处:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/    本文归作者海子和博客园共有,欢迎转载,但未经作者同意必须保留此段声明,且在文章页面明显位置给出原文连接,否则保留追究法律责任的权利。   在前面的文章中,我们 ...

原作者:海子   

出处:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/    深入理解Java之线程池深入理解Java之线程池

 

   从上面的代码可以得知,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService类,并提供了四个构造器,事实上,通过观察每个构造器的源码具体实现,发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。

   下面解释下一下构造器中各个参数的含义:

  • corePoolSize:核心池的大小,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法,从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中;
  • maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;
  • keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize,即当线程池中的线程数大于corePoolSize时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0;
  • unit:参数keepAliveTime的时间单位,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性:
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TimeUnit.DAYS;        //天TimeUnit.HOURS;       //小时TimeUnit.MINUTES;      //分钟TimeUnit.SECONDS;      //秒TimeUnit.MILLISECONDS;   //毫秒TimeUnit.MICROSECONDS;   //微妙TimeUnit.NANOSECONDS;    //纳秒
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   AbstractExecutorService是一个抽象类,它实现了ExecutorService接口

  我们接着看ExecutorService接口的实现:

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public interface ExecutorService extends Executor {   void shutdown();  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;}
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   每个变量的作用都已经标明出来了,这里要重点解释一下corePoolSize、maximumPoolSize、largestPoolSize三个变量。

  corePoolSize在很多地方被翻译成核心池大小,其实我的理解这个就是线程池的大小。举个简单的例子:

  假如有一个工厂,工厂里面有10个工人,每个工人同时只能做一件任务。

  因此只要当10个工人中有工人是空闲的,来了任务就分配给空闲的工人做;

  当10个工人都有任务在做时,如果还来了任务,就把任务进行排队等待;

  如果说新任务数目增长的速度远远大于工人做任务的速度,那么此时工厂主管可能会想补救措施,比如重新招4个临时工人进来;

  然后就将任务也分配给这4个临时工人做;

  如果说着14个工人做任务的速度还是不够,此时工厂主管可能就要考虑不再接收新的任务或者抛弃前面的一些任务了。

  当这14个工人当中有人空闲时,而新任务增长的速度又比较缓慢,工厂主管可能就考虑辞掉4个临时工了,只保持原来的10个工人,毕竟请额外的工人是要花钱的。

 

  这个例子中的corePoolSize就是10,而maximumPoolSize就是14(10+4)。

  也就是说corePoolSize就是线程池大小,maximumPoolSize在我看来是线程池的一种补救措施,即任务量突然过大时的一种补救措施。

  不过为了方便理解,在本文后面还是将corePoolSize翻译成核心池大小。

  largestPoolSize只是一个用来起记录作用的变量,用来记录线程池中曾经有过的最大线程数目,跟线程池的容量没有任何关系。

 

  下面我们进入正题,看一下任务从提交到最终执行完毕经历了哪些过程。

  在ThreadPoolExecutor类中,最核心的任务提交方法是execute()方法,虽然通过submit也可以提交任务,但是实际上submit方法里面最终调用的还是execute()方法,所以我们只需要研究execute()方法的实现原理即可:

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public void execute(Runnable command) {  if (command == null)    throw new NullPointerException();  if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {    if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {      if (runState != RUNNING || poolSize == 0)        ensureQueuedTaskHandled(command);    }    else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))      reject(command); // is shutdown or saturated  }}
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   这个是addIfUnderCorePoolSize方法的具体实现,从名字可以看出它的意图就是当低于核心吃大小时执行的方法。下面看其具体实现,首先获取到锁,因为这地方涉及到线程池状态的变化,先通过if语句判断当前线程池中的线程数目是否小于核心池大小,有朋友也许会有疑问:前面在execute()方法中不是已经判断过了吗,只有线程池当前线程数目小于核心池大小才会执行addIfUnderCorePoolSize方法的,为何这地方还要继续判断?原因很简单,前面的判断过程中并没有加锁,因此可能在execute方法判断的时候poolSize小于corePoolSize,而判断完之后,在其他线程中又向线程池提交了任务,就可能导致poolSize不小于corePoolSize了,所以需要在这个地方继续判断。然后接着判断线程池的状态是否为RUNNING,原因也很简单,因为有可能在其他线程中调用了shutdown或者shutdownNow方法。然后就是执行

t = addThread(firstTask);
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   在addThread方法中,首先用提交的任务创建了一个Worker对象,然后调用线程工厂threadFactory创建了一个新的线程t,然后将线程t的引用赋值给了Worker对象的成员变量thread,接着通过workers.add(w)将Worker对象添加到工作集当中。

  下面我们看一下Worker类的实现:

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private final class Worker implements Runnable {  private final ReentrantLock runLock = new ReentrantLock();  private Runnable firstTask;  volatile long completedTasks;  Thread thread;  Worker(Runnable firstTask) {    this.firstTask = firstTask;  }  boolean isActive() {    return runLock.isLocked();  }  void interruptIfIdle() {    final ReentrantLock runLock = this.runLock;    if (runLock.tryLock()) {      try {    if (thread != Thread.currentThread())    thread.interrupt();      } finally {        runLock.unlock();      }    }  }  void interruptNow() {    thread.interrupt();  }   private void runTask(Runnable task) {    final ReentrantLock runLock = this.runLock;    runLock.lock();    try {      if (runState < STOP &&        Thread.interrupted() &&        runState >= STOP)      boolean ran = false;      beforeExecute(thread, task);  //beforeExecute方法是ThreadPoolExecutor类的一个方法,没有具体实现,用户可以根据      //自己需要重载这个方法和后面的afterExecute方法来进行一些统计信息,比如某个任务的执行时间等            try {        task.run();        ran = true;        afterExecute(task, null);        ++completedTasks;      } catch (RuntimeException ex) {        if (!ran)          afterExecute(task, ex);        throw ex;      }    } finally {      runLock.unlock();    }  }   public void run() {    try {      Runnable task = firstTask;      firstTask = null;      while (task != null || (task = getTask()) != null) {        runTask(task);        task = null;      }    } finally {      workerDone(this);  //当任务队列中没有任务时,进行清理工作        }  }}
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   从run方法的实现可以看出,它首先执行的是通过构造器传进来的任务firstTask,在调用runTask()执行完firstTask之后,在while循环里面不断通过getTask()去取新的任务来执行,那么去哪里取呢?自然是从任务缓存队列里面去取,getTask是ThreadPoolExecutor类中的方法,并不是Worker类中的方法,下面是getTask方法的实现:

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Runnable getTask() {  for (;;) {    try {      int state = runState;      if (state > SHUTDOWN)        return null;      Runnable r;      if (state == SHUTDOWN) // Help drain queue        r = workQueue.poll();      else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut) //如果线程数大于核心池大小或者允许为核心池线程设置空闲时间,        //则通过poll取任务,若等待一定的时间取不到任务,则返回null        r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);      else        r = workQueue.take();      if (r != null)        return r;      if (workerCanExit()) {  //如果没取到任务,即r为null,则判断当前的worker是否可以退出        if (runState >= SHUTDOWN) // Wake up others          interruptIdleWorkers();  //中断处于空闲状态的worker        return null;      }      // Else retry    } catch (InterruptedException ie) {      // On interruption, re-check runState    }  }}
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   也就是说如果线程池处于STOP状态、或者任务队列已为空或者允许为核心池线程设置空闲存活时间并且线程数大于1时,允许worker退出。如果允许worker退出,则调用interruptIdleWorkers()中断处于空闲状态的worker,我们看一下interruptIdleWorkers()的实现:

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void interruptIdleWorkers() {  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  mainLock.lock();  try {    for (Worker w : workers) //实际上调用的是worker的interruptIfIdle()方法      w.interruptIfIdle();  } finally {    mainLock.unlock();  }}
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    这里有一个非常巧妙的设计方式,假如我们来设计线程池,可能会有一个任务分派线程,当发现有线程空闲时,就从任务缓存队列中取一个任务交给空闲线程执行。但是在这里,并没有采用这样的方式,因为这样会要额外地对任务分派线程进行管理,无形地会增加难度和复杂度,这里直接让执行完任务的线程去任务缓存队列里面取任务来执行。

   我们再看addIfUnderMaximumPoolSize方法的实现,这个方法的实现思想和addIfUnderCorePoolSize方法的实现思想非常相似,唯一的区别在于addIfUnderMaximumPoolSize方法是在线程池中的线程数达到了核心池大小并且往任务队列中添加任务失败的情况下执行的:

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private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {  Thread t = null;  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  mainLock.lock();  try {    if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)      t = addThread(firstTask);  } finally {    mainLock.unlock();  }  if (t == null)    return false;  t.start();  return true;}
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   注意上面传进去的参数是null,根据第2小节的分析可知如果传进去的参数为null,则最后执行线程会阻塞在getTask方法中的

r = workQueue.take();
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   执行结果:

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正在执行task 0线程池中线程数目:1,队列中等待执行的任务数目:0,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:2,队列中等待执行的任务数目:0,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 1线程池中线程数目:3,队列中等待执行的任务数目:0,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 2线程池中线程数目:4,队列中等待执行的任务数目:0,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 3线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:0,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 4线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:1,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:2,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:3,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:4,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:5,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0线程池中线程数目:6,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 10线程池中线程数目:7,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 11线程池中线程数目:8,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 12线程池中线程数目:9,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 13线程池中线程数目:10,队列中等待执行的任务数目:5,已执行玩别的任务数目:0正在执行task 14task 3执行完毕task 0执行完毕task 2执行完毕task 1执行完毕正在执行task 8正在执行task 7正在执行task 6正在执行task 5task 4执行完毕task 10执行完毕task 11执行完毕task 13执行完毕task 12执行完毕正在执行task 9task 14执行完毕task 8执行完毕task 5执行完毕task 7执行完毕task 6执行完毕task 9执行完毕
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  从它们的具体实现来看,它们实际上也是调用了ThreadPoolExecutor,只不过参数都已配置好了。

  newFixedThreadPool创建的线程池corePoolSize和maximumPoolSize值是相等的,它使用的LinkedBlockingQueue;

  newSingleThreadExecutor将corePoolSize和maximumPoolSize都设置为1,也使用的LinkedBlockingQueue;

  newCachedThreadPool将corePoolSize设置为0,将maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE,使用的SynchronousQueue,也就是说来了任务就创建线程运行,当线程空闲超过60秒,就销毁线程。

  实际中,如果Executors提供的三个静态方法能满足要求,就尽量使用它提供的三个方法,因为自己去手动配置ThreadPoolExecutor的参数有点麻烦,要根据实际任务的类型和数量来进行配置。

  另外,如果ThreadPoolExecutor达不到要求,可以自己继承ThreadPoolExecutor类进行重写。

四.如何合理配置线程池的大小

  本节来讨论一个比较重要的话题:如何合理配置线程池大小,仅供参考。

  一般需要根据任务的类型来配置线程池大小:

  如果是CPU密集型任务,就需要尽量压榨CPU,参考值可以设为 NCPU+1

  如果是IO密集型任务,参考值可以设置为2*NCPU

  当然,这只是一个参考值,具体的设置还需要根据实际情况进行调整,比如可以先将线程池大小设置为参考值,再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。

  参考资料:

  http://ifeve.com/java-threadpool/

  http://blog.163.com/among_1985/blog/static/275005232012618849266/

  http://developer.51cto.com/art/201203/321885.htm

  http://blog.csdn.net/java2000_wl/article/details/22097059

  http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/6061229

  http://blog.csdn.net/xieyuooo/article/details/8718741

  《JDK API 1.6》


原标题:深入理解Java之线程池

关键词:JAVA

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