Java 7之多线程线程池 - 线程池原理(1)
来源:互联网 发布:cs1.5百度软件 编辑:程序博客网 时间:2024/05/01 16:12
来看一下线程池的框架图,如下:
1、Executor任务提交接口与Executors工具类
Executor框架同java.util.concurrent.Executor 接口在Java 5中被引入。Executor框架是一个根据一组执行策略调用,调度,执行和控制的异步任务的框架。Executor存在的目的是提供一种将"任务提交"与"任务如何运行"分离开来的机制。定义如下:
- public interface Executor {
- void execute(Runnable command);
- }
虽然只有一个方法,但是却为灵活且强大的异步任务执行框架提供了基础。它提供了一种标准的方法将任务的提交过程与执行过程解耦开来,并用Runnable来表示任务。那么我们怎么得到Executor对象呢?这就是接下来要介绍的Exectors了。
Executors为Executor,ExecutorService,ScheduledExecutorService,ThreadFactory和Callable类提供了一些工具方法,类似于集合中的Collections类的功能。Executors方便的创建线程池。
1>newCachedThreadPool :该线程池比较适合没有固定大小并且比较快速就能完成的小任务,它将为每个任务创建一个线程。那这样子它与直接创建线程对象(new Thread())有什么区别呢?看到它的第三个参数60L和第四个参数TimeUnit.SECONDS了吗?好处就在于60秒内能够重用已创建的线程。下面是Executors中的newCachedThreadPool()的源代码:
- public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
- return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
- }
2> newFixedThreadPool使用的Thread对象的数量是有限的,如果提交的任务数量大于限制的最大线程数,那么这些任务讲排队,然后当有一个线程的任务结束之后,将会根据调度策略继续等待执行下一个任务。下面是Executors中的newFixedThreadPool()的源代码:
- public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
- return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
- }
3>newSingleThreadExecutor就是线程数量为1的FixedThreadPool,如果提交了多个任务,那么这些任务将会排队,每个任务都会在下一个任务开始之前运行结束,所有的任务将会使用相同的线程。下面是Executors中的newSingleThreadExecutor()的源代码:
- public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
- return new FinalizableDelegatedExecutorService
- (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
- }
4>newScheduledThreadPool创建一个固定长度的线程池,而且以延迟或定时的方式来执行任务。
通过如上配置的线程池的创建方法源代码,我们可以发现:
1> 除了CachedThreadPool使用的是直接提交策略的缓冲队列以外,其余两个用的采用的都是无界缓冲队列,也就说,FixedThreadPool和SingleThreadExecutor创建的线程数量就不会超过 corePoolSize。
2> 我们可以再来看看三个线程池采用的ThreadPoolExecutor构造方法都是同一个,使用的都是默认的ThreadFactory和handler:- private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
- public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
- int maximumPoolSize,
- long keepAliveTime,
- TimeUnit unit,
- BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
- this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
- Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
- }
Executor的实现通常都会创建线程来执行任务,但是使用异步方式来执行任务时,由于之前提交任务的状态不是立即可见的,所以如果要关闭应用程序时,就需要将受影响的任务状态反馈给应用程序。
为了解决执行服务的生命周期问题,Executor扩展了EecutorService接口,添加了一些用于生命周期管理的方法。如下:
- public interface ExecutorService extends Executor {
- void shutdown();
- List<Runnable> shutdownNow();
- boolean isShutdown();
- boolean isTerminated();
- boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
- // 省略部分方法
- }
3、ThreadPoolExecutor线程池实现类
先来看一下这个类中定义的重要变量,如下:
- private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 阻塞队列
- private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); // 互斥锁
- private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();// 线程集合.一个Worker对应一个线程
- private final Condition termination = mainLock.newCondition();// 终止条件
- private int largestPoolSize; // 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。
- private long completedTaskCount; // 已完成任务数量
- private volatile ThreadFactory threadFactory; // ThreadFactory对象,用于创建线程。
- private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒绝策略的处理句柄
- private volatile long keepAliveTime; // 线程池维护线程所允许的空闲时间
- private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
- private volatile int corePoolSize; // 线程池维护线程的最小数量,哪怕是空闲的
- private volatile int maximumPoolSize; // 线程池维护的最大线程数量
1> corePoolSize与maximumPoolSize 由于ThreadPoolExecutor 将根据 corePoolSize和 maximumPoolSize设置的边界自动调整池大小,当新任务在方法 execute(java.lang.Runnable) 中提交时:
- 如果运行的线程少于 corePoolSize,则创建新线程来处理请求,即使其他辅助线程是空闲的;
- 如果设置的corePoolSize 和 maximumPoolSize相同,则创建的线程池是大小固定的,如果运行的线程与corePoolSize相同,当有新请求过来时,若workQueue未满,则将请求放入workQueue中,等待有空闲的线程去从workQueue中取任务并处理
- 如果运行的线程多于 corePoolSize 而少于 maximumPoolSize,则仅当队列满时才创建新线程才创建新的线程去处理请求;
- 如果运行的线程多于corePoolSize 并且等于maximumPoolSize,若队列已经满了,则通过handler所指定的策略来处理新请求;
- 如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值(如 Integer.MAX_VALUE),则允许池适应任意数量的并发任务
也就是说,处理任务的优先级为:
- 1. 核心线程corePoolSize > 任务队列workQueue > 最大线程maximumPoolSize,如果三者都满了,使用handler处理被拒绝的任务。
- 2. 当池中的线程数大于corePoolSize的时候,多余的线程会等待keepAliveTime长的时间,如果无请求可处理就自行销毁。
1) 直接提交。工作队列的默认选项是 SynchronousQueue,它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此,如果不存在可用于立即运行任务的线程,则试图把任务加入队列将失败,因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
2) 无界队列。使用无界队列(例如,不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue)将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样,创建的线程就不会超过 corePoolSize。(因此,maximumPoolSize 的值也就无效了。)当每个任务完全独立于其他任务,即任务执行互不影响时,适合于使用无界队列;例如,在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求,当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
3) 有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时,有界队列(如 ArrayBlockingQueue)有助于防止资源耗尽,但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷:使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销,但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞(例如,如果它们是 I/O 边界),则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小,CPU 使用率较高,但是可能遇到不可接受的调度开销,这样也会降低吞吐量.
3>ThreadFactory 使用 ThreadFactory 创建新线程。如果没有另外说明,则在同一个 ThreadGroup 中一律使用 Executors.defaultThreadFactory() 创建线程,并且这些线程具有相同的 NORM_PRIORITY 优先级和非守护进程状态。通过提供不同的 ThreadFactory,可以改变线程的名称、线程组、优先级、守护进程状态等等。如果从 newThread 返回 null 时 ThreadFactory 未能创建线程,则执行程序将继续运行,但不能执行任何任务。
- public interface ThreadFactory {
- Thread newThread(Runnable r);
- }
- public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
- return new DefaultThreadFactory();
- }
- static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
- private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
- private final ThreadGroup group;
- private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
- private final String namePrefix;
- DefaultThreadFactory() {
- SecurityManager s = System.getSecurityManager();
- group = (s != null) ? s.getThreadGroup() : Thread.currentThread().getThreadGroup();
- namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-";
- }
- // 为线程池创建新的任务执行线程
- public Thread newThread(Runnable r) {
- // 线程对应的任务是Runnable对象r
- Thread t = new Thread(group, r,namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(), 0);
- // 设为非守护线程
- if (t.isDaemon())
- t.setDaemon(false);
- // 将优先级设为Thread.NORM_PRIORITY
- if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
- t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
- return t;
- }
- }
4>RejectedExecutionHandler
当Executor已经关闭(即执行了executorService.shutdown()方法后),并且Executor将有限边界用于最大线程和工作队列容量,且已经饱和时,在方法execute()中提交的新任务将被拒绝.
在以上述情况下,execute 方法将调用其 RejectedExecutionHandler 的 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution(java.lang.Runnable, java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor) 方法。下面提供了四种预定义的处理程序策略: 1) 在默认的 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 处理程序遭到拒绝将抛出运行时 RejectedExecutionException;
2) 在 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy 线程调用运行该任务的 execute 本身。此策略提供简单的反馈控制机制,能够减缓新任务的提交速度
3) 在 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 不能执行的任务将被删除;
4) 在 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 如果执行程序尚未关闭,则位于工作队列头部的任务将被删除,然后重试执行程序(如果再次失败,则重复此过程)。
线程池默认会采用的是defaultHandler策略。首先看defaultHandler的定义:
- private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy(); // 使用默认的拒绝策略
- public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
- public AbortPolicy() { }
- // 抛出异常
- public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
- throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
- }
- }
看一下其他拒绝策略的具体实现。
- class MyRunnable implements Runnable {
- private String name;
- public MyRunnable(String name) {
- this.name = name;
- }
- @Override
- public void run() {
- try {
- System.out.println(this.name + " is running.");
- Thread.sleep(100);
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
1. DiscardPolicy 示例
- public class DiscardPolicyDemo {
- private static final int THREADS_SIZE = 1;
- private static final int CAPACITY = 1;
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
- ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
- // 设置线程池的拒绝策略为"丢弃"
- pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());
- // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
- pool.execute(myrun);
- }
- // 关闭线程池
- pool.shutdown();
- }
- }
线程池pool的阻塞队列是ArrayBlockingQueue,ArrayBlockingQueue是一个有界的阻塞队列,ArrayBlockingQueue的容量为1。这也意味着线程池的阻塞队列只能有一个线程池阻塞等待。
根据""中分析的execute()代码可知:线程池中共运行了2个任务。第1个任务直接放到Worker中,通过线程去执行;第2个任务放到阻塞队列中等待。其他的任务都被丢弃了!
2. DiscardOldestPolicy 示例
- public class DiscardOldestPolicyDemo {
- private static final int THREADS_SIZE = 1;
- private static final int CAPACITY = 1;
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
- ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
- new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
- // 设置线程池的拒绝策略为"DiscardOldestPolicy"
- pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
- // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
- pool.execute(myrun);
- }
- // 关闭线程池
- pool.shutdown();
- }
- }
运行结果:
task-0 is running.task-9 is running.
将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为DiscardOldestPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,线程池会丢弃阻塞队列中末尾的任务,然后将被拒绝的任务添加到末尾。
3. AbortPolicy 示例- public class AbortPolicyDemo {
- private static final int THREADS_SIZE = 1;
- private static final int CAPACITY = 1;
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
- ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
- new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
- // 设置线程池的拒绝策略为"抛出异常"
- pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
- try {
- // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
- pool.execute(myrun);
- }
- } catch (RejectedExecutionException e) {
- e.printStackTrace();
- // 关闭线程池
- pool.shutdown();
- }
- }
- }
(某一次)运行结果:
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$AbortPolicy.rejectedExecution(ThreadPoolExecutor.java:1774) at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.reject(ThreadPoolExecutor.java:768) at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:656) at AbortPolicyDemo.main(AbortPolicyDemo.java:27)task-0 is running.task-1 is running.
将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为AbortPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,会抛出RejectedExecutionException。
4. CallerRunsPolicy 示例- public class CallerRunsPolicyDemo {
- private static final int THREADS_SIZE = 1;
- private static final int CAPACITY = 1;
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
- ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
- new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
- // 设置线程池的拒绝策略为"CallerRunsPolicy"
- pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
- // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
- pool.execute(myrun);
- }
- // 关闭线程池
- pool.shutdown();
- }
- }
(某一次)运行结果:
task-3 is running.task-4 is running.task-5 is running.task-6 is running.task-7 is running.task-8 is running.task-9 is running.task-0 is running.task-1 is running.
将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为CallerRunsPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,线程池会将被拒绝的任务添加到"线程池正在运行的线程"中取运行。
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