Java 线程池框架核心代码分析

Posted 2021-01-24 qfjavabd

　　前言

　　多线程编程中，为每个任务分配一个线程是不现实的，线程创建的开销和资源消耗都是很高的。线程池应运而生，成为我们管理线程的利器。Java 通过Executor接口，提供了一种标准的方法将任务的提交过程和执行过程解耦开来，并用Runnable表示任务。

　　下面，我们来分析一下 Java 线程池框架的实现ThreadPoolExecutor。

　　下面的分析基于JDK1.7

　　生命周期

　　ThreadPoolExecutor中，使用CAPACITY的高3位来表示运行状态，分别是：

　　RUNNING：接收新任务，并且处理任务队列中的任务

　　SHUTDOWN：不接收新任务，但是处理任务队列的任务

　　STOP：不接收新任务，不出来任务队列，同时中断所有进行中的任务

　　TIDYING：所有任务已经被终止，工作线程数量为 0，到达该状态会执行terminated()

　　TERMINATED：terminated()执行完毕

　　

 

　　状态转换图

　　ThreadPoolExecutor中用原子类来表示状态位

　　privatefinalAtomicIntegerctl=newAtomicInteger(ctlOf(RUNNING,0));

　　线程池模型

　　核心参数

　　corePoolSize：最小存活的工作线程数量(如果设置allowCoreThreadTimeOut，那么该值为 0)

　　maximumPoolSize：最大的线程数量，受限于CAPACITY

　　keepAliveTime：对应线程的存活时间，时间单位由TimeUnit指定

　　workQueue：工作队列，存储待执行的任务

　　RejectExecutionHandler：拒绝策略，线程池满后会触发

　　线程池的最大容量：CAPACITY中的前三位用作标志位，也就是说工作线程的最大容量为(2^29)-1

　　四种模型

　　CachedThreadPool：一个可缓存的线程池，如果线程池的当前规模超过了处理需求时，那么将回收空闲的线程，当需求增加时，则可以添加新的线程，线程池的规模不存在任何的限制。

　　FixedThreadPool：一个固定大小的线程池，提交一个任务时就创建一个线程，直到达到线程池的最大数量，这时线程池的大小将不再变化。

　　SingleThreadPool：一个单线程的线程池，它只有一个工作线程来执行任务，可以确保按照任务在队列中的顺序来串行执行，如果这个线程异常结束将创建一个新的线程来执行任务。

　　ScheduledThreadPool：一个固定大小的线程池，并且以延迟或者定时的方式来执行任务，类似于Timer。

　　执行任务 execute

　　核心逻辑：

　　当前线程数量 corePoolSize，直接开启新的核心线程执行任务addWorker(command, true)

　　当前线程数量 =corePoolSize，且任务加入工作队列成功

　　检查线程池当前状态是否处于RUNNING

　　如果否，则拒绝该任务

　　如果是，判断当前线程数量是否为 0，如果为 0，就增加一个工作线程。

　　开启普通线程执行任务addWorker(command, false)，开启失败就拒绝该任务

　　从上面的分析可以总结出线程池运行的四个阶段：

　　poolSize corePoolSize且队列为空，此时会新建线程来处理提交的任务

　　poolSize == corePoolSize，此时提交的任务进入工作队列，工作线程从队列中获取任务执行，此时队列不为空且未满。

　　poolSize == corePoolSize，并且队列已满，此时也会新建线程来处理提交的任务，但是poolSize maxPoolSize

　　poolSize == maxPoolSize，并且队列已满，此时会触发拒绝策略

　　拒绝策略

　　前面我们提到任务无法执行会被拒绝，RejectedExecutionHandler是处理被拒绝任务的接口。下面是四种拒绝策略。

　　AbortPolicy：默认策略，终止任务，抛出RejectedException

　　CallerRunsPolicy：在调用者线程执行当前任务，不抛异常

　　DiscardPolicy： 抛弃策略，直接丢弃任务，不抛异常

　　DiscardOldersPolicy：抛弃最老的任务，执行当前任务，不抛异常

　　线程池中的 Worker

　　Worker继承了AbstractQueuedSynchronizer和Runnable，前者给Worker提供锁的功能，后者执行工作线程的主要方法runWorker(Worker w)(从任务队列捞任务执行)。Worker 引用存在workers集合里面，用mainLock守护。

　　privatefinalReentrantLockmainLock=newReentrantLock();privatefinalHashSetWorkerworkers=newHashSetWorker();

　　核心函数 runWorker

　　下面是简化的逻辑，注意：每个工作线程的run都执行下面的函数

　　finalvoidrunWorker(Workerw){

　　Threadwt=Thread.currentThread();

　　Runnabletask=w.firstTask;

　　w.firstTask=null;while(task!=null||(task=getTask())!=null){

　　w.lock();

　　beforeExecute(wt,task);

　　task.run();

　　afterExecute(task,thrown);

　　w.unlock();

　　}

　　processWorkerExit(w,completedAbruptly);

　　}

　　从getTask()中获取任务

　　锁住 worker

　　执行beforeExecute(wt, task)，这是ThreadPoolExecutor提供给子类的扩展方法

　　运行任务，如果该worker有配置了首次任务，则先执行首次任务且只执行一次。

　　执行afterExecute(task, thrown);

　　解锁 worker

　　如果获取到的任务为 null，关闭 worker

　　获取任务 getTask

　　线程池内部的任务队列是一个阻塞队列，具体实现在构造时传入。

　　privatefinalBlockingQueueRunnableworkQueue;

　　getTask()从任务队列中获取任务，支持阻塞和超时等待任务，四种情况会导致返回null，让worker关闭。

　　现有的线程数量超过最大线程数量

　　线程池处于STOP状态

　　线程池处于SHUTDOWN状态且工作队列为空

　　线程等待任务超时，且线程数量超过保留线程数量

　　核心逻辑：根据timed在阻塞队列上超时等待或者阻塞等待任务，等待任务超时会导致工作线程被关闭。

　　timed=allowCoreThreadTimeOut||wccorePoolSize;Runnabler=timed?

　　workQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS):

　　workQueue.take();

　　在以下两种情况下等待任务会超时：

　　允许核心线程等待超时，即allowCoreThreadTimeOut(true)

　　当前线程是普通线程，此时wc corePoolSize

　　工作队列使用的是BlockingQueue，这里就不展开了，后面再写一篇详细的分析。

　　总结

　　ThreadPoolExecutor基于生产者-消费者模式，提交任务的操作相当于生产者，执行任务的线程相当于消费者。

　　Executors提供了四种基于ThreadPoolExecutor构造线程池模型的方法，除此之外，我们还可以直接继承ThreadPoolExecutor，重写beforeExecute和afterExecute方法来定制线程池任务执行过程。

　　使用有界队列还是无界队列需要根据具体情况考虑，工作队列的大小和线程的数量也是需要好好考虑的。

　　拒绝策略推荐使用CallerRunsPolicy，该策略不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是将任务回退到调用者线程中执行。

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