Java 线程池全面总结与详解

2024-04-02 19:04:59 956人浏览八月长安

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摘要

目录原理阻塞队列有界阻塞队列无界阻塞队列同步移交队列实现类分析使用Executors创建线程池线程池关闭线程池是很常用的并发框架，几乎所有需要异步和并发处理任务的程序都可用到线程池。

原理

线程池的原理非常简单，这里用处理流程来概括：

线程池判断核心池里的线程是否都在执行任务，如果不是，创建一个新的线程来执行任务；
如果核心线程池已满，则将新任务存在工作队列中；
如果工作队列满了，线程数量没有达到线程池上限的前提下，新建一个线程来执行任务；
线程数量达到上限，则触发饱和策略来处理这个任务；

使用工作队列，是为了尽可能降低线程创建的开销。工作队列用阻塞队列来实现。

阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是指支持阻塞的插入和移除元素的队列。

阻塞的插入：当队列满时，阻塞插入元素的线程，直到队列不满；
阻塞的移除：当队列为空，阻塞移除元素的线程，直到队列不为空；

原理：使用通知者模式实现。当生产者往满的队列中添加元素时，会阻塞生产者。消费者移除元素时，会通知生产者当前队列可用。

阻塞队列有以下三种类型，分别是：

有界阻塞队列：ArrayBlockingQueue（数组），LinkedBlockingQueue（链表）
无界阻塞队列：LinkedTransferQueue（链表），PriorityBlockingQueue（支持优先级排序），DelayQueue（支持延时获取元素的无界阻塞队列）
同步移交队列：SynchronousQueue

有界阻塞队列

主要包括ArrayBlockingQueue（数组），LinkedBlockingQueue（链表）两种。有界队列大小与线程数量大小相互配合，队列容量大线程数量小时，可减少上下文切换降低cpu使用率，但是会降低吞吐量。

无界阻塞队列

比较常用的是LinkedTransferQueue。FixedThreadPool就是用这个实现的。无界阻塞队列要慎重使用，因为在某些情况，可能会导致大量的任务堆积到队列中，导致内存飙升。

同步移交队列

SynchronousQueue。不存储元素的阻塞队列，每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。用于实现CachedThreadPool线程池。

各个线程池所使用的任务队列映射关系如下：

线程池阻塞队列

FixedThreadPoolLinkedBlockingQueueSingleThreadExecutorLinkedBlockingQueueCachedThreadExecutorSynchronousQueueScheduledThreadPoolExecutorLinkedBlockingQueue

实现类分析

ThreadPoolExecutor是Java线程池的实现类，是Executor接口派生出来的最核心的类。依赖关系图如下：

深入浅出谈Java线程池原理及分析

这里不得不提到Executor框架，该框架包含三大部分，如下：

任务。被执行任务需要实现的接口：Runnable和Callable;
任务执行。即上述核心接口Executor以及继承而来的ExecutorService。ExecutorService派生出如下两个类：ThreadPoolExecutor：线程池核心实现类；ScheduledThreadPoolExecutor：用来做定时任务；
异步计算的结果。接口Future和实现Future接口的FutureTask类。线程池创建


new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds, runnableTaskQueue, handler)

构造方法如下：


public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

参数说明：

corePoolSize：核心池的线程数量；
workQueue：用于保存任务的工作队列；
maximumPoolSize：最大线程池的大小；
keepAliveTime：当线程数量大于核心池线程数量时，keepAliveTime为多余的空闲线程等待新任务的最长时间，超过这个时间，多余的线程会被终止；
TimeUnit：keepAliveTime的单位；
ThreadFactory：线程工厂，可以给线程设置名字；
handler：饱和策略。当队列和线程池都满了，会触发饱和策略，来处理新提交的任务。饱和策略以下几种：AbortPolicy：直接抛出异常；CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务；DiscardOldestPolicy：丢弃最近一个任务并执行当前任务；DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。

使用Executors创建线程池

使用工具类Executors可创建三种类型的线程池：FixedThreadPool、SingleThreadExecutor、CachedThreadPool。本质上也是调用上述构造方法。理解了前文的参数解释，下面三种线程池也就容易理解了。

FixedThreadPool

可重用固定线程数的线程池。


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

工作流程如下：

如果当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务；
线程数等于corePoolSize之后，新任务加入LinkedBlockingQueue（无界阻塞队列）。因为最大线程数maximumPoolSize参数值等于corePoolSize，不会产生多余线程；
线程执行完任务之后会反复从LinkedBlockingQueue中获取任务来执行。

SingleThreadExecutor

单个worker线程的线程池


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

SingleThreadExecutor与FixedThreadPool的区别在于，maximumPoolSize和corePoolSize都设置成了1，其它参数都一样。

CachedThreadPool


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

CachedThreadPool将corePoolSize设置为0，maximumPoolSize设置为无限大，同时使用了一个没有容量的工作队列SynchronousQueue。这个线程池没有固定的核心线程，而是根据需要创建新线程。

工作流程：

有新任务时，主线程执行SynchronousQueue.offer操作，空闲线程执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS)操作，配对成功则将任务交给空闲线程执行；
当没有空闲线程时，上面的配对操作失败，此时会创建一个新线程来执行任务；
任务执行完毕后，空闲线程会等待60秒。60秒内如果有新任务，就立即执行，否则时间一过线程就终止。

线程池关闭

调用shutdown或者shutdownNow方法可关闭线程池。原理是遍历线程池中所有工作线程，调用interrupt方法来中断线程。

shutdown：将线程置为SHUTDOWN状态，不能接受新的任务，等待所有任务执行完毕；
shutdownNow：将线程置为STOP状态，不能接受新的任务，尝试去终止正在执行的恶任务；

这里涉及到ThreadPoolExecutor中定义的线程的五种状态


// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;