四种线程池详细解析

2019/04/10 10:10
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为什么会有线程池??

  之前的时候,我们每使用一次线程就去创建一个线程,这样虽然实现起来非常简便,但是会有一个问题,如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间,而且还容易造成线程池溢出。于是人们想到了使用线程池的方法,这样使得线程就可以被复用,就是说当一个线程执行完一个任务后,并不会被销毁,而是放到线程池中,这样再次需要使用线程时,就可以直接从线程池中拿取一个线程使用,从而降低资源消耗,提高利用效率。

  • 线程的创建和销毁是需要时间的。加入一个服务完成需要的时间:T1表示创建线程时间,T2表示线程执行任务的耗时,T3表示线程消耗的时间,如果:T1+T3远大于T2,得不偿失。
  • 线程需要占用内存资源,大量线程的创建会占用宝贵内存资源,可以导致OOM(Out Of Memory)异常。
  • 大量的线程回收时也会给GC操作带来很大的压力,延长GC的停顿时间。
  • 线程抢占CPU资源,CPU不停的在各个线程中进行上下文切换,上下文的切换也是耗时的过程。

线程池溢出:频繁创建多线程,非常占用CPU内存,一个线程占1MB内存。

线程池的目的:

  1.通过重复利用线程池中已创建的代码,来降低创建和销毁线程时的开销,从而降低资源消耗,提高利用效率。

  2.提高响应速度。当任务到达时,任务不需要来等待线程创建就能立即执行,因为线程池中有已创建好的线程可以直接供使用。

  3.提高线程的可管理性。线程池时稀缺资源,如果无限制的创建,当线程数到达一定数量时,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,所以使用线程池,就可以进行统一分配,调优和监控。

  4. 提供定时执行、定期执行、单线程、并发数控制等功能。

 线程池的继承:

  Java里面线程池的顶级接口是Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是ExecutorService,ExecutorService接口继承了Excutor接口,提供了一些对线程池操作的扩展方法:shoudown,submit,是真正的线程池接口。Executors是线程池的静态工厂,其提供了快捷创建线程池的静态方法。AbstractExecutorService抽象类实现了ExecutorService接口提供的大部分方法

 

比较重要的几个类:

ExecutorService接口

真正的线程池接口。

ScheduledExecutorService接口

能和Timer/TimerTask类似,解决那些需要任务重复执行的问题。

ThreadPoolExecutor类

ExecutorService的默认实现。

 

ScheduledThreadPoolExecutor类

继承ThreadPoolExecutor和实现ScheduledExecutorService接口,周期性任务调度的类实现。

 

 

Executors慎用:
在《阿里巴巴Java开发手册》中有一条
【强制】线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。
Executors 返回的线程池对象的弊端如下:
FixedThreadPool 和 SingleThreadPool : 允许的请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求,从而导致 OOM。
CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool : 允许的创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE,可能会创建大量的线程,从而导致 OOM。

 

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优的,因此在Executors类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。

线程池的四种创建方式:

Java通过Executors(java1.5并发包中的类)来创建四种线程池,分别为:

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则创建线程。

newFixedThreadPool创建一个定长线程池,可控制线程池最大并发数,超出的线程会在队列中等待。

newScheduledThreadPool创建一个 定时线程池,支持定时以及周期性任务执行。

newSingleThreadExecutor创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序执行。(FIFO,LIFO,优先级)

 

无论创建哪种线程池在其底层都 必须要调用ThreadPoolExecutor:

  •  corePoolSize: 核心线程数---线程池中实际运行的线程数
  •  maximumPoolSize:最大线程数---线程池创建线程的最大数量 。值得注意的是,如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
  •  keepAliveTime: 线程池维护线程所允许的空闲时间 
  •  unit: 线程池维护线程所允许的空闲时间的单位 。可选的单位有天(DAYS)、小时(HOURS)、分钟(MINUTES)、毫秒(MILLISECONDS)、微秒(MICROSECONDS,千分之一毫秒)和纳秒(NANOSECONDS,千分之一微秒)。
  •  workQueue: 线程池所使用的缓冲队列 
  •  handler: 线程池对拒绝任务的处理策略。当队列和线程池都满了,说明线程池处于饱和状态,那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。
    ·AbortPolicy:直接抛出异常。
    ·CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。
    ·DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。
    ·DiscardPolicy:不处理,丢弃掉

 

线程池原理:

提交一个任务到线程池中,线程池的处理流程如下:

1.判断线程池里的核心线程数是否都在执行任务,如果不是(核心线程空闲或者还有核心线程没有被创建),则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程数都在执行任务,则进入下一个流程。

2.线程池判断工作队列是否已满,如果工作队列没有满,则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了,则进入下一个流程。

3.判断线程池里的线程是否都处于工作状态,如果没有,则创建一个新的工作流程来执行任务。如果已经满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

 

   如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize,则每来一个任务,就会创建一个线程去执行这个任务;如果当前线程池中的线程数目大于等于corePoolSize,则每来一个任务,就会尝试将其添加到任务缓存队列当中,若添加成功,则该任务会等待空闲线程将其取出去执行;若添加失败(一般情况是因为任务缓存队列已满),则会尝试创建新的线程去执行这个任务,如果此时线程池中总线程数小于maximumPoolSize,则会创建新的线程,如果当前线程池中的线程数目大于等于maximumPoolSize,则会采取任务拒绝策略进行处理。

   注意:线程数目统计的是正在在执行任务的线程,而execute提交的只是任务,不一定每次提交都会创建出线程来。

1:newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池。

  ♦CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0,即corePool为空;

  ♦maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE,即maximum是无界的。

  ♦这里keepAliveTime设置为60秒,意味着空闲的线程最多可以等待任务60秒,否则将被回收。

  ♦CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为主线程池的工作队列,它是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作。这意味着,如果主线程提交任务的速度高于线程池中处理任务的速度时,CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下,CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU资源。

执行过程如下:

  1.首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果在当前的线程池中有空闲的线程正在执行SynchronousQueue.poll(),那么主线程执行的offer()插入操作与空闲线程执行的poll()弹出操作配对成功,主线程把任务交给空闲线程执行,则execute()方法执行成功,否则执行步骤2

  2.当线程池为空(初始maximumPool为空)或没有空闲线程时,将没有线程执行SynchronousQueue.poll操作,则配对失败。这种情况下,线程池会创建一个新的线程执行任务。

  3.在创建完新的线程以后,将会执行poll操作,与执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)的任务相匹配。当步骤2的线程执行完成后,将等待60秒,如果此时主线程提交了一个新任务,那么这个空闲线程将执行新任务,否则被回收。因此长时间不提交任务的CachedThreadPool不会占用系统资源。

  SynchronousQueue是一个不存储元素阻塞队列,每次要进行offer插入操作时必须等待poll弹出操作,否则不能继续添加元素。

  【代码演示】:耗时短,不需要考虑同步的情况。

 1 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 2 import java.util.concurrent.Executors;
 3 public class CachedThreadDemo {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         ExecutorService cachedthreadpool=Executors.newCachedThreadPool();
 6         for (int i = 0; i <10; i++) {
 7             cachedthreadpool.execute(new Runnable() {
 8                 @Override
 9                 public void run() {
10                     System.out.println(Thread.currentThread().getName());
11                 }
12             });
13         }
14         cachedthreadpool.shutdown();
15     }
16 }

运行结果:

2:newFixedThreadPool创建一个定长线程池。(指定core和max,且core=max=nThraed)

      

  通过构造函数可知,该线程池的核心线程数和最大线程数是一样的。

  • FixedThreadPool的corePoolSize的值和maxiumPoolSize的值都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads的大小。
  • 0L则表示当线程池中的线程数量超过核心线程的数量时,多余的线程将被立即停止
  • 最后一个参数表示FixedThreadPool使用了无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的做工队列,由于是无界的,当线程池的线程数达到corePoolSize后,新任务将在无界队列中等待,因此线程池的线程数量不会超过maxiumPoolSize,同时maxiumPoolSize也就变成了一个无效的参数,并且运行中的线程池也并不会拒绝任务。

执行过程如下:

  1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量,就创建新的线程来执行任务。

  2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool,则将任务加入LinkedBlockingQueue。

  3.线程执行完1中的任务后会从队列中去取任务。

注意LinkedBlockingQueue是无界队列,所以可以一直添加新任务到线程池。

  【代码演示】:newFixedThreadPool创建一个定长线程池,可控制线程池最大并发数,超出的线程会在队列中等待。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。

 1 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 2 import java.util.concurrent.Executors;
 3 public class FixedThreadDemo {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         ExecutorService  fixedThreadpool= Executors.newFixedThreadPool(3);//参数是线程池中线程的数目
 6         for (int i = 0; i <10 ; i++) {
 7             int tmp=i;
 8             fixedThreadpool.execute(new Runnable() {
 9             //execute方法表示启动线程
10                 @Override
11                 public void run() {
12                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+", "+tmp);
13                 }
14             });
15         }
16         fixedThreadpool.shutdown();//停止线程池的运行
17     }
18 }

运行结果:

 

   不论运行多少次,我们都可以看到,整个结果中其实只有3个线程,而且被反复利用着。

3:newScheduledThreadPool创建一个周期性的线程池。(指定core,max为max)

       

执行过程如下:

  1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量,就创建一个新的线程来执行任务。

  2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool,则将任务加入DelayedWorkQueue。

  3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。

注意该线程池的最大线程数为MAX_VALUE。

  【代码演示】:创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

 1 import java.util.concurrent.Executors;
 2 import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
 3 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 4 public class ScheduledThreadDemo {
 5     public static void main(String[] args) {
 6         ScheduledExecutorService scheduledThreadpool=Executors.newScheduledThreadPool(2);//核心线程数
 7         //注意返回的是ScheduledExecutorService 类型的
 8         for (int i = 0; i <4; i++) {
 9             int tmp=i;
10             /*scheduledThreadpool.schedule(new Runnable() {
11                 @Override
12                 public void run() {
13                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+", "+tmp);
14                 }
15             }, 2, TimeUnit.SECONDS);
16             //传进一个线程,2表示线程开始时的延时*/
17             scheduledThreadpool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
18                 @Override
19                 public void run() {
20                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+", "+tmp);
21                 }
22             }, 2,3, TimeUnit.SECONDS);
23             //传进一个线程,2表示线程开始时的延迟时间,3表示周期即每3秒运行一次,TimeUnit.SECONDS
24         }
25         try {
26             Thread.sleep(30000);//先睡眠会,在关闭线程池,否则其他线程运行不了
27         } catch (InterruptedException e) {
28             e.printStackTrace();
29         }finally {
30             scheduledThreadpool.shutdown();//关闭线程池
31         }
32 
33     }
34 }

运行结果:

   通过结果我可以发现它是周期性运行的,且在开始打印时延时了2秒,然后每过3秒重复一次。

4:newSingleThreadExecutor创建一个单线程化的线程池。(core和max都默认为1)

 

 

 

  •    SingleThreadExecutor的corePoolSize和maxiumPoolSize都被设置1。

执行过程如下:

  1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量,就创建一个新的线程来执行任务。

  2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool,则将任务加入LinkedBlockingQueue。

  3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。

注意:由于在线程池中只有一个工作线程,所以任务可以按照添加顺序执行。

 【代码演示】:创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作,也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

 1 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 2 import java.util.concurrent.Executors;
 3 public class SingleThreadDemo {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         ExecutorService singlethread=Executors.newSingleThreadExecutor();//单线程池
 6         for (int i = 0; i <5; i++) {
 7             singlethread.execute(new Runnable() {
 8                 @Override
 9                 public void run() {
10                     System.out.println(Thread.currentThread().getName());
11                 }
12             });
13         }
14         singlethread.shutdown();//关闭线程池
15     }
16 }

运行结果:

   通过运行结果可以发现,始终只有一个线程在被反复运行着。

 

线程池的状态:

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;  //32-3
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }//获取高3位的线程状态
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }//获取低29位的线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; } //rs表示线程池状态,wc表示线程池中线程数量,通过两个参数可获取ctl值

  其中ctl是一个AtomicInteger类型的属性,其提供了线程池的状态及线程池中线程的数量的统计,其中高3位用于维护线程池的运行状态,低29位用来维护线程池中线程的数量

RUNNING = -1 << COUNT_BITS;即高3位为1,低29位0,该状态的线程池可以接受新任务,也会处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS:即高3位是0,低29位为0,该状态的线程池不会接受新的任务,但是会处理阻塞队列中的任务
STOP = 1 << COUNT_BITS:即高3位为001,低29位为0,该状态的线程池不会接受新任务,也不会处理阻塞队列中的任务,并且还会终止正在执行的任务
TIDYING = 2 << COUNT_BITS:即高3位为010,低29位为0,所有的任务都被终止了,线程的数量为0,还要调用terminated()方法
TERMINATED = 3 << COUNT_BITS:即高3位为011,低29位为0,terminated()方法执行之后的状态
这些状态是int类型,大小关系为RUNNING<SHUTDOWN<STOP<TIDYING<TERMINATED

 

 

任务提交过程:
execute():提交任务

public void execute(Runnable command) {
  //提交的任务不能为null
  if (command == null)
    throw new NullPointerException();

  int c = ctl.get();
  //判断工作线程数量小于核心线程数量
  if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
  //新创建一个线程来执行任务体====addWorker(command, true)
    if (addWorker(command, true))
    //添加成功,返回
    return;
    //添加任务失败;线程状态已经到showdown,不在接收新任务/工作线程数量大于核心线程数量
    c = ctl.get();
  }
  //线程是运行状态,将任务添加到阻塞队列
  if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
    int recheck = ctl.get();
    if (! isRunning(recheck) && remove(command))
      reject(command);
    else if (workerCountOf(recheck) == 0)
      addWorker(null, false);
    }
  else if (!addWorker(command, false))
    reject(command);
  }

 

 

Java并发包中的阻塞队列一共7个,当然他们都是线程安全的。 

DealyQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。  

·ArrayBlockingQueue:是一个基于数组结构的有界阻塞队列,此队列按FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。
·LinkedBlockingQueue:一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按FIFO排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
·SynchronousQueue: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Linked-BlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
·PriorityBlockingQueue:一个具有优先级的无限阻塞队列

 LinkedTransferQueue:一个由链表结构组成的无界阻塞队列。 

 LinkedBlockingDeque:一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

1.submit和execute的区别。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功。且execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。
submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象,通过这个future对象可以判断任务是否执行成功,并且可以通过future的get()方法来获取返回值,get()方法会阻塞当前线程直到任务完成,而使用get(long timeout,TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回,这时候有可能任务没有执行完
概括:

  submit即可以提交Runnable类型的,也可以提交Callable类型的,而execute只能提交Runnable类型的。

  submit方法具有返回值,Runnable返回的是null,Callable返回的是call方法的返回值。而execute方法不具有返回值,所以说execute方法也不能判断线程是否执行完毕。

2.shutdown和shutdownNow的区别。

  可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程,然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程,所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别,shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待执行任务的列表,而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态,然后中断所有没有正在执行任务的线程。

 

  只要调用了这两个关闭方法中的任意一个,isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池,应该由提交到线程池的任务特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,如果任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法。

 

原文出处:https://www.cnblogs.com/ljl150/p/12459350.html

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