线程池的实现原理

Posted 2020-11-11 luoh1016

jdk1.5引入Executor线程池框架，通过它把任务的提交和执行进行解耦，只需要定义好任务，然后提交给线程池，而不用关心该任务是如何执行、被哪个线程执行，以及什么时候执行。

初始化线程池（4种）

简介：

Java线程池的工厂类：Executors类,

初始化4种类型的线程池：

newFixedThreadPool()
说明：初始化一个指定线程数的线程池，其中corePoolSize == maxiPoolSize，使用LinkedBlockingQuene作为阻塞队列
特点：即使当线程池没有可执行任务时，也不会释放线程。
newCachedThreadPool()
说明：初始化一个可以缓存线程的线程池，默认缓存60s，线程池的线程数可达到Integer.MAX_VALUE，即2147483647，内部使用SynchronousQueue作为阻塞队列；
特点：在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime，会自动释放线程资源；当提交新任务时，如果没有空闲线程，则创建新线程执行任务，会导致一定的系统开销；
因此，使用时要注意控制并发的任务数，防止因创建大量的线程导致而降低性能。
newSingleThreadExecutor()
说明：初始化只有一个线程的线程池，内部使用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列。
特点：如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行
newScheduledThreadPool()
特定：初始化的线程池可以在指定的时间内周期性的执行所提交的任务，在实际的业务场景中可以使用该线程池定期的同步数据。

总结：除了newScheduledThreadPool的内部实现特殊一点之外，其它线程池内部都是基于ThreadPoolExecutor类（Executor的子类）实现的。

ThreadPoolExecutor内部具体实现：

ThreadPoolExecutor类构造器语法形式：

ThreadPoolExecutor（corePoolSize,maxPoolSize,keepAliveTime,timeUnit,workQueue,threadFactory,handle);   

方法参数：
　  corePoolSize：核心线程数
　  maxPoolSize：最大线程数
     keepAliveTime：线程存活时间（在corePore<*<maxPoolSize情况下有用）
     timeUnit：存活时间的时间单位
     workQueue：阻塞队列（用来保存等待被执行的任务）

注：关于workQueue参数的取值,JDK提供了4种阻塞队列类型供选择：
　　      ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO排序任务；
　　      inkedBlockingQuene：基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，吞吐量通常要高于  

            SynchronousQuene：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ArrayBlockingQuene；

　　      PriorityBlockingQuene：具有优先级的无界阻塞队列；

     threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；

     handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值

 注： 当线程池的饱和策略，当阻塞队列满了，且没有空闲的工作线程，如果继续提交任务，必须采取一种策略处理该任务，线程池提供了4种策略：

　　　　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

　　　　当然也可以根据应用场景实现RejectedExecutionHandler接口，自定义饱和策略，如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

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 线程池的状态（5种）

其中AtomicInteger变量ctl的功能非常强大：利用低29位表示线程池中线程数，通过高3位表示线程池的运行状态：
1、RUNNING：-1 << COUNT_BITS，即高3位为111，该状态的线程池会接收新任务，并处理阻塞队列中的任务；
2、SHUTDOWN： 0 << COUNT_BITS，即高3位为000，该状态的线程池不会接收新任务，但会处理阻塞队列中的任务；
3、STOP ： 1 << COUNT_BITS，即高3位为001，该状态的线程不会接收新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，而且会中断正在运行的任务；
4、TIDYING ： 2 << COUNT_BITS，即高3位为010，该状态表示线程池对线程进行整理优化；
5、TERMINATED： 3 << COUNT_BITS，即高3位为011，该状态表示线程池停止工作；

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 向线程池提交任务（2种）

有两种方式：

      Executor.execute(Runnable command);

      ExecutorService.submit(Callable<T> task);

execute()内部实现

1.首次通过workCountof()获知当前线程池中的线程数，

  如果小于corePoolSize, 就通过addWorker()创建线程并执行该任务；

　否则，将该任务放入阻塞队列；

2. 如果能成功将任务放入阻塞队列中,  

如果当前线程池是非RUNNING状态，则将该任务从阻塞队列中移除，然后执行reject()处理该任务；

如果当前线程池处于RUNNING状态，则需要再次检查线程池（因为可能在上次检查后，有线程资源被释放），是否有空闲的线程；如果有则执行该任务；

3、如果不能将任务放入阻塞队列中,说明阻塞队列已满；那么将通过addWoker()尝试创建一个新的线程去执行这个任务；如果addWoker()执行失败，说明线程池中线程数达到maxPoolSize,则执行reject()处理任务；

 sumbit()内部实现

会将提交的Callable任务会被封装成了一个FutureTask对象

FutureTask类实现了Runnable接口，这样就可以通过Executor.execute()提交FutureTask到线程池中等待被执行，最终执行的是FutureTask的run方法； 

比较：

 两个方法都可以向线程池提交任务，execute()方法的返回类型是void，它定义在Executor接口中, 而submit()方法可以返回持有计算结果的Future对象，它定义在ExecutorService接口中，它扩展了Executor接口，其它线程池类像ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor都有这些方法。 

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线程池的关闭（2种）

　　ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：

　　　　shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务

　　　　shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务

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 线程池容量的动态调整

　　ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，

 

 

总结：

线程池中的核心线程数，当提交一个任务时，线程池创建一个新线程执行任务，直到当前线程数等于corePoolSize；如果当前线程数为corePoolSize，继续提交的任务被保存到阻塞队列中，等待被执行；如果阻塞队列满了，那就创建新的线程执行当前任务；直到线程池中的线程数达到maxPoolSize,这时再有任务来，只能执行reject()处理该任务；

注：如果执行了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程。