线程池--Java中的线程池实现类:ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类,因此如果要透彻地了解Java中的线程池,必须先了解这个类。
先附上一段使用代码:

public class Test {
     public static void main(String[] args) {   
         //创建线程池executor 
         ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 200, TimeUnit.MILLISECONDS,new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
         for(int i=0;i<15;i++){
             MyTask myTask = new MyTask(i);、、
             executor.execute(myTask);
             System.out.println("线程池中线程数目:"+executor.getPoolSize()+",队列中等待执行的任务数目:"+
             executor.getQueue().size()+",已执行玩别的任务数目:"+executor.getCompletedTaskCount());
         }
         executor.shutdown();
     }
}

class MyTask implements Runnable {
    private int taskNum;

    public MyTask(int num) {
        this.taskNum = num;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("正在执行task "+taskNum);
        try {
            Thread.currentThread().sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("task "+taskNum+"执行完毕");
    }
}

下面我们来看一下ThreadPoolExecutor类的具体实现源码。
变量
先来看一下这个类中定义的重要变量,如下:

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              // 阻塞队列  
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   // 互斥锁  
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();// 线程集合.一个Worker对应一个线程  
private final Condition termination = mainLock.newCondition();// 终止条件  
private int largestPoolSize;           // 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。  
private long completedTaskCount;       // 已完成任务数量  
private volatile ThreadFactory threadFactory;     // ThreadFactory对象,用于创建线程。  
private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒绝策略的处理句柄  
private volatile long keepAliveTime;   // 线程池维护线程所允许的空闲时间  
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;  
private volatile int corePoolSize;     // 线程池维护线程的最小数量,哪怕是空闲的  
private volatile int maximumPoolSize;  // 线程池维护的最大线程数量  

1> corePoolSize与maximumPoolSize 由于ThreadPoolExecutor 将根据 corePoolSize和 maximumPoolSize设置的边界自动调整池大小,当新任务在方法 execute(java.lang.Runnable) 中提交时:

  1. 如果运行的线程少于 corePoolSize,则创建新线程来处理请求,即使其他辅助线程是空闲的;
  2. 如果设置的corePoolSize 和 maximumPoolSize相同,则创建的线程池是大小固定的,如果运行的线程与corePoolSize相同,当有新请求过来时,若workQueue未满,则将请求放入workQueue中,等待有空闲的线程去从workQueue中取任务并处理
  3. 如果运行的线程多于 corePoolSize 而少于 maximumPoolSize,则仅当队列满时才创建新线程才创建新的线程去处理请求;
  4. 如果运行的线程多于corePoolSize 并且等于maximumPoolSize,若队列已经满了,则通过handler所指定的策略来处理新请求;
  5. 如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值(如 Integer.MAX_VALUE),则允许池适应任意数量的并发任务

也就是说,处理任务的优先级为:

  1. 核心线程corePoolSize > 任务队列workQueue > 最大线程maximumPoolSize,如果三者都满了,使用handler处理被拒绝的任务。
  2. 当池中的线程数大于corePoolSize的时候,多余的线程会等待keepAliveTime长的时间,如果无请求可处理就自行销毁。

2> workQueue 线程池所使用的缓冲队列,该缓冲队列的长度决定了能够缓冲的最大数量,缓冲队列有三种通用策略:

  1. 直接提交。工作队列的默认选项是 SynchronousQueue,它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此,如果不存在可用于立即运行任务的线程,则试图把任务加入队列将失败,因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
  2. 无界队列。使用无界队列(例如,不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue)将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样,创建的线程就不会超过 corePoolSize。(因此,maximumPoolSize 的值也就无效了。)当每个任务完全独立于其他任务,即任务执行互不影响时,适合于使用无界队列;例如,在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求,当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
  3. 有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时,有界队列(如 ArrayBlockingQueue)有助于防止资源耗尽,但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷:使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销,但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞(例如,如果它们是 I/O 边界),则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小,CPU 使用率较高,但是可能遇到不可接受的调度开销,这样也会降低吞吐量.

3>ThreadFactory 使用 ThreadFactory 创建新线程。如果没有另外说明,则在同一个 ThreadGroup 中一律使用 Executors.defaultThreadFactory() 创建线程,并且这些线程具有相同的 NORM_PRIORITY 优先级和非守护进程状态。通过提供不同的 ThreadFactory,可以改变线程的名称、线程组、优先级、守护进程状态等等。如果从 newThread 返回 null 时 ThreadFactory 未能创建线程,则执行程序将继续运行,但不能执行任何任务。

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

而构造方法中的threadFactory对象,是通过 Executors.defaultThreadFactory()返回的。Executors.java中的defaultThreadFactory()源码如下:

public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {  
     return new DefaultThreadFactory();  
 }  

在DefaultThreadFactory类中实现了ThreadFactory接口并对其中定义的方法进行了实现,如下:

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-";  
    }  
    // 为线程池创建新的任务执行线程  
    public Thread newThread(Runnable r) {  
        // 线程对应的任务是Runnable对象r  
        Thread t = new Thread(group, r,namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(), 0);  
        // 设为非守护线程  
        if (t.isDaemon())  
            t.setDaemon(false);  
        // 将优先级设为Thread.NORM_PRIORITY  
        if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)  
            t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);  
        return t;  
    }  
}  


构造方法
在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法:

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    //5个参数,缺少ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue);

    //6个参数,缺少RejectedExecutionHandler handler
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);

    //6个参数,缺少ThreadFactory threadFactory
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);

    //7个参数,主要供前面3个方法调用
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
    ...
}

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:

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

workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:

ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;
//ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少,一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。
//线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

<small>(BlockingQueue:阻塞队列(BlockingQueue)是java.util.concurrent下的主要用来控制线程同步的工具。如果BlockQueue是空的,从BlockingQueue取东西的操作将会被阻断进入等待状态,直到BlockingQueue进了东西才会被唤醒。同样,如果BlockingQueue是满的,任何试图往里存东西的操作也会被阻断进入等待状态,直到BlockingQueue里有空间才会被唤醒继续操作。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。具体的实现类有LinkedBlockingQueue,ArrayBlockingQueued等。一般其内部的都是通过Lock和Condition(显示锁(Lock)及Condition的学习与使用)来实现阻塞和唤醒。)</small>

threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程(上面有介绍);
handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务

从上面给出的ThreadPoolExecutor类的代码可以知道,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService,我们来看一下AbstractExecutorService的实现:

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {

    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) { };
    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { };
    public Future<?> submit(Runnable task) {};
    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) { };
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { };
    private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                            boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    };
    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException {
    };
    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                           long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    };
    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException {
    };
    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                         long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    };
}

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:

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;
}

而ExecutorService又是继承了Executor接口,我们看一下Executor接口的实现:

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

到这里,大家应该明白了ThreadPoolExecutorAbstractExecutorServiceExecutorServiceExecutor几个之间的关系了。

Executor是一个顶层接口,在它里面只声明了一个方法execute(Runnable),返回值为void,参数为Runnable类型,从字面意思可以理解,就是用来执行传进去的任务的;

然后ExecutorService接口继承了Executor接口,并声明了一些方法:submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等;
(<small>ExecutorService任务周期管理接口:Executor的实现通常都会创建线程来执行任务,但是使用异步方式来执行任务时,由于之前提交任务的状态不是立即可见的,所以如果要关闭应用程序时,就需要将受影响的任务状态反馈给应用程序。
为了解决执行服务的生命周期问题,Executor扩展了EecutorService接口,添加了一些用于生命周期管理的方法。如上:</small>)

抽象类AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口,基本实现了ExecutorService中声明的所有方法;

然后ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService。

在ThreadPoolExecutor类中有几个非常重要的方法:

execute()
submit()
shutdown()
shutdownNow()

execute()方法实际上是Executor中声明的方法,在ThreadPoolExecutor进行了具体的实现,这个方法是ThreadPoolExecutor的核心方法,通过这个方法可以向线程池提交一个任务,交由线程池去执行。

submit()方法是在ExecutorService中声明的方法,在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现,在ThreadPoolExecutor中并没有对其进行重写,这个方法也是用来向线程池提交任务的,但是它和execute()方法不同,它能够返回任务执行的结果,去看submit()方法的实现,会发现它实际上还是调用的execute()方法,只不过它利用了Future来获取任务执行结果。

shutdown()和shutdownNow()是用来关闭线程池的。

还有很多其他的方法:

比如:getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount()等获取与线程池相关属性的方法,有兴趣的朋友可以自行查阅API。

参考来自http://blog.csdn.net/he90227/article/details/52576452
参考来自http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/19243889

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