Java 并發之線程池

作者：水目沾 2020-09-04 10:29:47

JDK 在并發包中為我們定義了一套 Executor 框架，幫助開發人員有效地進行線程控制，有基礎的線程池類、有線程池工廠，但是最最重要還是 ThreaPoolExecutor，也是面試中最常問的知識點。本文重點介紹 ThreaPoolExecutor 的原理。

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本文轉載自微信公眾號「懷夢追碼」，作者水目沾。轉載本文請聯系懷夢追碼公眾號。

線程池的作用

池化技術是一種很常見的計算機技術，主要是為了復用和提高性能，如內存池、連接池、對象池等。線程池也不例外，他的主要作用如下：

提高性能：線程的頻繁創建和銷毀會產生的很大的系統開銷，線程池中的線程復用可以大幅度的減少這種不必要的開銷。
復用和管理：方便對池子中的線程進行管理和復用，避免在生產環境中大量的創建線程。
解耦：只暴露提交任務的接口，將線程池的創建、銷毀等工作與業務解耦。

線程池的參數說明

ThreaPoolExecutor( 
    int corePoolSize, 
    long keepAliveTime, 
    TimeUnit unit, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue, 
    ThreadFactory threadFactory, 
    RejectedExecutionHandler handler) 
)

ThreaPoolExecutor 參數的含義如下

corePoolSize: 線程池中核心線程的數量。
maximumPoolSize: 線程池中的最大線程數量。
keepAliveTime: 當線程池數量超過 corePoolSize 時，多余的空閑線程的存活時間。即超過 coolPoolSize 的空閑線程在多長時間內，會被銷毀。
unit: keepAliveTime 的單位，可以為時、分、秒等多種值。
workQueue: 任務隊列，存放被提交但尚未被執行的任務。
threadFactory: 線程工廠，用于創建線程，一般用默認即可。
handler: 拒絕策略，當線程池處理不過來任務時，如何拒絕任務。

以上參數中 workQueue、threadFactory、handler 相對復雜，需要單獨介紹，下面主要介紹下 ThreadFactory 和 RejectedExecutionHandler

1. 線程工廠：ThreadFactory

線程池中的線程都由 TrheadFactory 定義的線程工廠來創建，它是一個接口只有 Thread newThread(Runnable r) 方法，用來創建線程。雖然創建 ThreadPoolExecutor 的時候可以不指定該參數，但是阿里巴巴編碼規約建議最好指定該參數，有以下幾個好處：

跟蹤線程池在何時、創建了多少線程。
可以自定義線程池的名稱、組以及優先級等信息。
設置線程的其他狀態等，如守護進程。

2. 拒絕策略：RejectedExecutionHandler

當線程池線程數量達到 maxPoolSize 大小時，再提交新的任務會執行拒絕策略，JDK 定義了四種拒絕策略：

AbortPolicy 該策略直接拋出異常
CallerRunsPolicy 調用者線程處理任務，該策略并不是真正的丟棄任務，會讓當前線程來執行被拋棄的任務，由于只有一個線程，所有的任務會被串行執行。
DiscardOldestPolicy 丟棄最老的一個請求，即隊列頭部的即將被執行的任務，并嘗試再次提交當前任務。
DiscardPolicy 該策略默默丟棄無法處理的任務。

以上四種拒絕策略都繼承了接口 RejectedExecutionHandler 并實現該接口的 rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 方法。如果以上四種拒絕策略都滿足不了你的需求，可以自定義拒絕策略，繼承接口 RejectedExecutionHandler 并實現方法即可。

線程池的調度邏輯

ThreaPoolExecutor 對提交的任務處理邏輯如下圖，

1. 提交任務時：

如果線程池中的線程數小于 corePoolSize (無論是否有空閑線程)，創建新的線程(謂之核心線程)來處理。
如果線程池中的線程數已經大于或者 corePoolSize ，新提交的任務將被放置到等候隊列中，等待調度。
如果等待隊列已滿，并且線程池中的線程數量小于 maxPoolSize，將繼續創建新線程處理任務。
如果隊列已滿且線程數量也達到了上限，將使用拒絕策略來處理。

2. 任務進行中時：

當隊列中的任務已經執行完，部分線程開始空閑，非核心線程會在空閑后的 keepAliveTime 的時間內自行銷毀。

而空閑核心線程是否退出取決于線程池的另一個參數 allowCoreThreadTimeOut 。當配置為 true 的時候，即使是核心線程，超時也會退出。

線程池的生命周期

線程池同線程一樣也有自己的生命周期，包括 RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING 和 TERMINATED 五種狀態，他們的轉換關系如下圖，并且這些轉換時不可逆的。

1. RUNNING

該狀態是線程池的工作狀態，能夠接受新任務以及對接受的任務進行處理。線程池的初始狀態，即線程創建成功后就處理此狀態。

2. SHUTDOWN

關閉狀態，線程池不再接受新的任務，但是能繼續處理提交到線程池中的任務。線程狀態 RUNNING 的情況下調用 shutdown() 方法進入該狀態。

3. STOP

停止狀態，線程池不接受新的任務，也不處理阻塞隊列中的任務，同時會中斷正在執行任務的線程。在線程處于 RUNNING 或者 SHUTDOWN 狀態下調用 shutdownNow() 方法進入該狀態。

4. TIDYING

所有任務都銷毀了，workCount 為 0，會自動從 RUNNING 或者 STOP 狀態轉化為 TIDYING 狀態。在轉換過程中會調用 terminated() 方法，ThreadPoolExecutor 類的 ternimated() 方法為空，如果想在線程池變成 TIDYING 的時候有所處理，可以重載該方法。

線程池在 SHUTDOWN 狀態下，阻塞隊列為空并且執行任務為空時轉換為 TIDYING 狀態;線程池在 STOP 狀態下，執行的任務為空時轉換為 TIDYING 狀態。

5. TERMINATED

結束狀態，線程池的最終狀態，該狀態的線程池不會再有任何操作。線程池執行 terminated() 方法后處于該狀態。

JDK 四種線程池

了解 ThreaPoolExecutor 的基本原理后再來看看 JDK 在 Executors 中為開發人員定義的四個線程池工廠方法，其實它們內部調用的是 ThreaPoolExecutor，只是使用了不同的參數，下面來了解下它們的特性。

newFixedThreadPool() 方法：該方法返回一個固定線程池數量的線程，提交任務時如果線程池中有空閑線程，則立即執行，沒有則新的任務會被緩存在一個任務隊列中，它創建線程池的代碼如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nthread) { 
  return new ThreadPoolExecutor(nthread,  
                                nthread,  
                                0L,  
                                TimeUnit.MILLSECCONDS,  
                                new LikedBlockingQueue<Runnable>()) 
}

newSingleThreadExecutor() 方法：該方法返回只有一個線程的線程池，如果多余的任務提交到線程池，則被提交到任務隊列中。它創建線程池代碼如下：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { 
  return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1,  
                                                                        1, 
                                                                        0L, TimeUnit.MILLISECONDS, 
                                                                        new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); 
}

newCachedThreadPool() 方法：該方法返回一個可根據實際情況調整線程數的線程池，它的核心線程數為 0 ，線程總數為 Integer.MAX_VALUE ，隊列采用的是 SynchronousQueue，這樣即使線程滿，任務也不能提交到隊列中。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() { 
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 
                                      60L, TimeUnit.SECONDS, 
                                      new SynchronousQueue<Runnable>()); 
    }

newScheduledThreadPool()：該方法一個固定長度的線程池，并且以延遲或者定時的方式去執行任務。它的隊列使用 DelayedWorkQueue，所以任務必須繼承 Delay 接口。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { 
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); 
} 
 
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) { 
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, 
          new DelayedWorkQueue()); 
}

責任編輯：武曉燕來源：懷夢追碼

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