线程池实现？简单了解一下

Posted 2023-02-18 姓chen的大键哥

在计算机中，线程是cpu执行的基本单位，可以通过创建线程来执行不同的任务，多线程的出现使得计算机CPU利用率提高了很多，尤其是当今多核CPU的广泛应用更是需要多线程。但是线程也是系统资源，在一个并发系统中，如果通过使用不断创建线程的方式来执行任务，那这个系统很快会因为创建过多线程导致内存溢出进而使系统崩溃，而且线程创建也是需要消耗不少时间，以这种方式来执行任务，不但不会发挥多线程的优势，还会降低系统响应速度。有没有一种方法能避免以上问题？
就跟数据库连接池一样，线程可不可以有对应的线程池来管理线程，答案是有的，在JUC包下提供了很多线程池的实现类，这些类可以用于管理线程。
线程池是Java中常用的并发框架，几乎所有异步处理或者并发执行任务的程序中都会用到线程池。
使用线程池有诸多好处：
1. 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
2. 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
3. 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控
要发挥线程池强大的功能，需要理解线程池工作原理及其实现。

线程池实现原理

当向线程池提交一个任务之后,线程池根据下图的流程来处理任务

当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下。

1. 线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作
   线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
2. 线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这
   个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
3. 线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

线程池ThreadPoolExecutor执行execute()方法如下所示

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况。

1. 如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（执行这一步骤需要获取全局锁）。
2. 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
3. 如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。
4. 如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor的excute方法尽可能的避免获取全局锁，获取锁的过程开销很大，而且线程也是系统资源，创建线程也会有不小的开销，在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。这种设计思路能很大的提高线程池的响应速度。

来看看ThreadPoolExecutor的源码实现

	public void execute(Runnable command) 
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
		// 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) 
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        
		//如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) 
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        
		// 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最  大允许的线程数量, 则创建一个线程执行任务。
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    

工作线程： 线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker，Worker在执行完任务后，还会循环获取工作队列里的任务来执行。
工作线程run方法源码如下：

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable 
	public void run() 
		runWorker(this);
    
	final void runWorker(Worker w) 
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try 
            while (task != null || (task = getTask()) != null) 
                w.lock();
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try 
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try 
                        task.run();
                     catch (RuntimeException x) 
                        thrown = x; throw x;
                     catch (Error x) 
                        thrown = x; throw x;
                     catch (Throwable x) 
                        thrown = x; throw new Error(x);
                     finally 
                        afterExecute(task, thrown);
                    
                 finally 
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                
            
            completedAbruptly = false;
         finally 
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        
    

run方法执行任务的过程如下图

线程池中的线程执行任务分两种情况:

1. 在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
2. 这个线程执行完上图的任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

线程池的使用

1.创建线程池

可以通过ThreadPoolExecutor创建线程池对象
创建一个线程池时需要输入几个参数:

1. corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
2. runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。

ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。

LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。

SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。

PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

3. maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
4. ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字.
5. RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。

AbortPolicy：直接抛出异常。
CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。

2.向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。
execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。
submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个
future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

3.关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。
只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true

4.合理使用线程池

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。

CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置N cpu +1个线程的线程池。由于IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如2*N cpu 。混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。
优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。

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参考书籍：《Java并发编程艺术》