java多線程詳解(7)-線程池的使用

本文轉載自查看原文 2015-09-16 16:25 16500 java/ thread

在前面的文章中，我們使用線程的時候就去創建一個線程，這樣實現起來非常簡便，但是就會有一個問題：

如果並發的線程數量很多，並且每個線程都是執行一個時間很短的任務就結束了，

這樣頻繁創建線程就會大大降低系統的效率，因為頻繁創建線程和銷毀線程需要時間。

這個是時候我們需要使用線程池技術創建多線程。

本文目錄大綱：

一.Java中的ThreadPoolExecutor類

二.深入剖析線程池實現原理

三.使用示例

四.如何合理配置線程池的大小

一.Java中的ThreadPoolExecutor類

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor類是線程池中最核心的類，因此如果要深入理解Java中的線程池，

必須深入理解這個類。我們來看一下ThreadPoolExecutor類的源碼。

ThreadPoolExecutor類中提供了四個構造方法：

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler); } 
 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory) { this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, defaultHandler); } 
 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler) { this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), handler); } 
 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; }

從上面的代碼可以得知，ThreadPoolExecutor繼承了AbstractExecutorService類，並提供了四個構造器，事實上，

並且前面三個構造器都是調用的第四個構造器進行的初始化工作。

下面解釋下一下構造器中各個參數的含義：

corePoolSize：核心池的大小，這個參數跟后面講述的線程池的實現原理有非常大的關系。在創建了線程池后，默認情況下，

線程池中並沒有任何線程，而是等待有任務到來才創建線程去執行任務，除非調用了prestartAllCoreThreads()

或者prestartCoreThread()方法，從這2個方法的名字就可以看出，是預創建線程的意思，

即在沒有任務到來之前就創建corePoolSize個線程或者一個線程。默認情況下，在創建了線程池后，線程池中的線程數為0，當有任務來之后，就會創建一個線程去執行任務，當線程池中的線程數目達到corePoolSize后，就會把到達的任務放到緩存隊列當中；

maximumPoolSize：線程池最大線程數，這個參數也是一個非常重要的參數，它表示在線程池中最多能創建多少個線程；

keepAliveTime：表示線程沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。默認情況下，只有當線程池中的線程數大於corePoolSize時，

keepAliveTime才會起作用，直到線程池中的線程數不大於corePoolSize，即當線程池中的線程數大於corePoolSize時，

如果一個線程空閑的時間達到keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數不超過corePoolSize。

但是如果調用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在線程池中的線程數不大於corePoolSize時，

keepAliveTime參數也會起作用，直到線程池中的線程數為0；

unit：參數keepAliveTime的時間單位，有7種取值，在TimeUnit類中有7種靜態屬性：

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小時
TimeUnit.MINUTES;           //分鍾
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //納秒

workQueue：一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，這個參數的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產生重大影響，一般來說，這里的阻塞隊列有以下幾種選擇

ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用較少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。線程池的排隊策略與BlockingQueue有關。

threadFactory：線程工廠，主要用來創建線程；

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException異常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然后重新嘗試執行任務（重復此過程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務

具體參數的配置與線程池的關系將在下一節講述。

從上面給出的ThreadPoolExecutor類的代碼可以知道，ThreadPoolExecutor繼承了AbstractExecutorService，看一下AbstractExecutorService的實現：

handler：表示當拒絕處理任務時的策略，有以下四種取值：

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是一個抽象類，它實現了ExecutorService接口。

我們看ExecutorService接口的實現：

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又是繼承了Executor接口，我們看一下Executor接口的實現：

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

我們知道 ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor幾個之間的關系了。

Executor是一個頂層接口，在它里面只聲明了一個方法execute(Runnable)，返回值為void，參數為Runnable類型，從字面意思可以理解，就是用來執行傳進去的任務的；

然后ExecutorService接口繼承了Executor接口，並聲明了一些方法：submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等；

抽象類AbstractExecutorService實現了ExecutorService接口，基本實現了ExecutorService中聲明的所有方法；

然后ThreadPoolExecutor繼承了類AbstractExecutorService。

在ThreadPoolExecutor類中有幾個非常重要的方法：

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

execute()方法實際上是Executor中聲明的方法，在ThreadPoolExecutor進行了具體的實現，這個方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，

通過這個方法可以向線程池提交一個任務，交由線程池去執行。

submit()方法是在ExecutorService中聲明的方法，在AbstractExecutorService就已經有了具體的實現，

在ThreadPoolExecutor中並沒有對其進行重寫，這個方法也是用來向線程池提交任務的，但是它和execute()方法不同，

它能夠返回任務執行的結果，去看submit()方法的實現，會發現它實際上還是調用的execute()方法，

只不過它利用了Future來獲取任務執行結果（Future相關內容將在下一篇講述）。

shutdown()和shutdownNow()是用來關閉線程池的。

二.深入剖析線程池實現原理

在上一節我們從宏觀上介紹了ThreadPoolExecutor，下面我們來深入解析一下線程池的具體實現原理，將從下面幾個方面講解：

1.線程池狀態

2.任務的執行

3.線程池中的線程初始化

4.任務緩存隊列及排隊策略

5.任務拒絕策略

6.線程池的關閉

7.線程池容量的動態調整

1.線程池狀態

在ThreadPoolExecutor中定義了一個volatile變量，另外定義了幾個static final變量表示線程池的各個狀態：

volatile int runState; static final int RUNNING    = 0; static final int SHUTDOWN   = 1; static final int STOP       = 2; static final int TERMINATED = 3;

runState表示當前線程池的狀態，它是一個volatile變量用來保證線程之間的可見性；

下面的幾個static final變量表示runState可能的幾個取值。

當創建線程池后，初始時，線程池處於RUNNING狀態；

如果調用了shutdown()方法，則線程池處於SHUTDOWN狀態，此時線程池不能夠接受新的任務，它會等待所有任務執行完畢；

如果調用了shutdownNow()方法，則線程池處於STOP狀態，此時線程池不能接受新的任務，並且會去嘗試終止正在執行的任務；

當線程池處於SHUTDOWN或STOP狀態，並且所有工作線程已經銷毀，任務緩存隊列已經清空或執行結束后，線程池被設置為TERMINATED狀態。

2.任務的執行

在了解將任務提交給線程池到任務執行完畢整個過程之前，我們先來看一下ThreadPoolExecutor類中其他的一些比較重要成員變量：

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              //任務緩存隊列，用來存放等待執行的任務
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   //線程池的主要狀態鎖，對線程池狀態（比如線程池大小 //、runState等）的改變都要使用這個鎖
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();  //用來存放工作集
 
private volatile long  keepAliveTime;    //線程存貨時間 
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;   //是否允許為核心線程設置存活時間
private volatile int   corePoolSize;     //核心池的大小（即線程池中的線程數目大於這個參數時，提交的任務會被放進任務緩存隊列）
private volatile int   maximumPoolSize;   //線程池最大能容忍的線程數
 
private volatile int   poolSize;       //線程池中當前的線程數
 
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任務拒絕策略
 
private volatile ThreadFactory threadFactory;   //線程工廠，用來創建線程
 
private int largestPoolSize;   //用來記錄線程池中曾經出現過的最大線程數
 
private long completedTaskCount;   //用來記錄已經執行完畢的任務個數

每個變量的作用都已經標明出來了，這里要重點解釋一下corePoolSize、maximumPoolSize、largestPoolSize三個變量。

corePoolSize在很多地方被翻譯成核心池大小，其實我的理解這個就是線程池的大小

3.線程池中的線程初始化

默認情況下，創建線程池之后，線程池中是沒有線程的，需要提交任務之后才會創建線程。

在實際中如果需要線程池創建之后立即創建線程，可以通過以下兩個方法辦到：

prestartCoreThread()：初始化一個核心線程；

prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心線程

下面是這2個方法的實現：

public boolean prestartCoreThread() { return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意傳進去的參數是null
} public int prestartAllCoreThreads() { int n = 0; while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意傳進去的參數是null
        ++n; return n; }

注意上面傳進去的參數是null，根據第2小節的分析可知如果傳進去的參數為null，則最后執行線程會阻塞在getTask方法中的

r = workQueue.take();

即等待任務隊列中有任務。

4.任務緩存隊列及排隊策略

在前面我們多次提到了任務緩存隊列，即workQueue，它用來存放等待執行的任務。

workQueue的類型為BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三種類型：

(1).ArrayBlockingQueue：基於數組的先進先出隊列，此隊列創建時必須指定大小；

(2).LinkedBlockingQueue：基於鏈表的先進先出隊列，如果創建時沒有指定此隊列大小，則默認為Integer.MAX_VALUE；

(3).synchronousQueue：這個隊列比較特殊，它不會保存提交的任務，而是將直接新建一個線程來執行新來的任務。

5.任務拒絕策略

當線程池的任務緩存隊列已滿並且線程池中的線程數目達到maximumPoolSize，如果還有任務到來就會采取任務拒絕策略，通常有以下四種策略：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException異常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然后重新嘗試執行任務（重復此過程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務

6.線程池的關閉

ThreadPoolExecutor提供了兩個方法，用於線程池的關閉，分別是shutdown()和shutdownNow()，其中：

shutdown()：不會立即終止線程池，而是要等所有任務緩存隊列中的任務都執行完后才終止，但再也不會接受新的任務

shutdownNow()：立即終止線程池，並嘗試打斷正在執行的任務，並且清空任務緩存隊列，返回尚未執行的任務

7.線程池容量的動態調整

ThreadPoolExecutor提供了動態調整線程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，

setCorePoolSize：設置核心池大小

setMaximumPoolSize：設置線程池最大能創建的線程數目大小

當上述參數從小變大時，ThreadPoolExecutor進行線程賦值，還可能立即創建新的線程來執行任務。

三.使用實例

public class Test { public static void main(String[] args) { 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("線程池中線程數目："+executor.getPoolSize()+"，隊列中等待執行的任務數目："+ executor.getQueue().size()+"，已執行玩別的任務數目："+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("正在執行task "+taskNum); try { Thread.currentThread().sleep(4000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("task "+taskNum+"執行完畢"); } }

從執行結果可以看出，當線程池中線程的數目大於5時，便將任務放入任務緩存隊列里面，當任務緩存隊列滿了之后，便創建新的線程。

如果上面程序中，將for循環中改成執行20個任務，就會拋出任務拒絕異常了。

不過在java中，並不提倡我們直接使用ThreadPoolExecutor，而是使用Executors類中提供的幾個靜態方法來創建線程池：

Executors.newCachedThreadPool();        //創建一個緩沖池，緩沖池容量大小為Integer.MAX_VALUE
Executors.newSingleThreadExecutor();   //創建容量為1的緩沖池
Executors.newFixedThreadPool(int);    //創建固定容量大小的緩沖池

下面是這三個靜態方法的具體實現;

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); } public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); }

代碼如下：

/**
 * 通過線程池實現多線程
 * 
 * @author cary
 * @version 1.0.0
 */
public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool1 = Executors.newFixedThreadPool(5);
        ExecutorService threadPool2 = Executors.newCachedThreadPool();
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int task = i;
            threadPool.execute(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 1; j <= 10; j++) {
                        try {
                            Thread.sleep(20);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                                + " is looping of " + j + " for  task of "
                                + task);
                    }

                }
            });
        }

        System.out.println("all of 10 tasks have committed! ");
        // threadPool.shutdownNow();

        Executors.newScheduledThreadPool(3).scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("begining!");

            }
        }, 6, 2, TimeUnit.SECONDS);
    }