Java線程池

時間 2019-11-08

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Java線程池

1. 簡介

系統啓動一個新線程的成本是比較高的，由於它涉及與操做系統的交互，這個時候使用線程池能夠提高性能，尤爲是須要建立大量聲明週期很短暫的線程時。Java中的線程池是運用場景最多的併發框架。java

線程池相似於數據庫鏈接池，在系統啓動的時候即建立大量空閒的線程，能夠將一個線程任務提交給線程池執行，當任務執行完後，線程不會死亡，而是再次返回線程池中成爲空閒狀態。數據庫

使用線程池的好處

下降資源消耗：重複利用下降建立和銷燬線程的消耗；
提升響應速度：任務來了能夠理解執行，沒必要等待線程建立；
提升線程的可管理性：使用線程池能夠統一的分配、調優和監控。

2. 使用Executors工廠類來產生線程

Executors工廠類主要有4種方式生產線程池：小程序

1.newCachedThreadPool() ：建立一個具備緩存功能的線程池，線程池無邊界，適用於執行不少短時間異步任務的小程序，或者負載較輕的服務器。數組

2. newFixedThreadPool(int nThreads)：建立一個固定線程數的線程池，適用於爲了知足資源管理的要求而須要限制線程數量的場景，好比負載較重的服務器。緩存

3. newSingleThreadExecutor()：建立一個只有單線程的線程池，適用於須要保證順序地執行各個任務，而且在任意時間點不會有多個線程是活動的西場景。服務器

4. newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：建立一個具備指定線程數的線程池，並能夠在指定延遲後執行線程任務，適用於多個後臺線程執行週期任務，同時爲了知足資源管理須要限制線程數量的場景。併發

實例代碼

package com.wangjun.thread;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/*
 * 演示線程池的使用
 */
public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        
        //生產普通的線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(6);
        // 第一種執行線程的方式
        threadPool.submit(new MyThread()); 
        // 第二種執行線程的方式，有返回值
        Future<String> result = threadPool.submit(new MyThread(), "返回值1"); 
        System.out.println(result.get());
        // 第三種執行線程的方式，傳入Callable對象，有返回值
        Future<String> result2 = threadPool.submit(new MyThread2()); 
        System.out.println(result2.get());
        
        // 關閉線程池,再也不接受新的任務，會將以前全部提交的任務執行完成，全部任務完成後，全部的線程死亡
        // 調用shutdownNow能夠立馬中止全部線程
        threadPool.shutdown();
        System.out.println("-----");
        // 生產能夠延遲執行的線程池
        ScheduledExecutorService threadPool2 = Executors.newScheduledThreadPool(6);
        // 延遲1秒執行
        threadPool2.schedule(new MyThread(), 1, TimeUnit.SECONDS);
        // 延遲2秒後執行，每一秒循環執行一次
        // 是以上一個任務開始的時間計時，period時間過去後，檢測上一個任務是否執行完畢，若是上一個任務執行完畢，
        // 則當前任務當即執行，若是上一個任務沒有執行完畢，則須要等上一個任務執行完畢後當即執行。
        threadPool2.scheduleAtFixedRate(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
        // 是以上一個任務結束時開始計時，period時間過去後，當即執行。
        // 兩個方法以不一樣的時間點做爲參考
        threadPool2.scheduleWithFixedDelay(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
        
        Thread.sleep(3000);
        threadPool2.shutdown();
    }

    static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("線程：" + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
    static class MyThread2 implements Callable<String>{
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("線程：" + Thread.currentThread().getName());
            return "返回值2";
        }
    }

}

3. 線程池類ThreadPoolExector

上面使用Executors工廠類生產線程池，其實大部分返回的就是ThreadPoolExector的實例。ThreadPoolExector纔是真正的線程池。框架

3.1 線程池的幾個關鍵屬性

核心線程數量corePoolSize：核心線程數，指保留的線程池大小（不超過maximumPoolSize值時，線程池中最多有corePoolSize 個線程工做）。
最大線程數量maximumPoolSize：指的是線程池的最大大小，使用使用了無界隊列，那這個參數就沒什麼用。
線程結束的超時時間keepAliveTime：當一個線程不工做時，過keepAliveTime時間將中止該線程（該線程是多餘的，指大於corePoolSize的那些線程）。
存聽任務的隊列workQueue：存放須要被線程池執行的線程隊列。
飽和策略handler：加任務失敗後如何處理該任務。一般是AbortPolicy，表示沒法處理新任務時拋出異常。

3.2 線程池執行策略

線程池執行execute()方法的過程如圖：異步

線程池剛建立時，裏面沒有一個線程。任務隊列是做爲參數傳進來的。不過，就算隊列裏面有任務，線程池也不會立刻執行它們。
當調用 execute() 方法添加一個任務時，線程池會作以下判斷：

a. 若是正在運行的線程數量小於 corePoolSize，則建立線程執行任務（注意，這一步須要獲取全局鎖）；ide

b. 若是正在運行的線程數量大於或等於 corePoolSize而且隊列沒有滿，那麼將這個任務放入隊列。

c. 若是這時候隊列滿了，並且正在運行的線程數量小於 maximumPoolSize，那麼仍是要建立線程運行這個任務；

d. 若是隊列滿了，並且正在運行的線程數量大於或等於 maximumPoolSize，那麼線程池會交給配置的執行策略處理（調用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法），好比拋出異常，提示沒法加入新線程。

當一個線程完成任務時，它會從隊列中取下一個任務來執行。
當一個線程無事可作，超過必定的時間（keepAliveTime）時，線程池會判斷，若是當前運行的線程數大於 corePoolSize，那麼這個線程就被停掉。因此線程池的全部任務完成後，它最終會收縮到 corePoolSize 的大小。

3.3 線程池中阻塞隊列的種類

ArrayBlockingQueue：居於數組結構的有界阻塞隊列，按照先進先出FIFO原則對元素進行排序；
LinkedBlockingQueue：基於鏈表結構的阻塞隊列，按照FIFO排序原色，吞吐量大於ArrayBlockingQueue，靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()就使用了這個隊列；
SynchronousQueue：不存儲元素的阻塞隊列。每一個插入操做必須等到另外一個線程調用移除操做，不然插入操做一直處於阻塞狀態，吞吐量一般要高於LinkedBlockingQueue，靜態工程方法Executors.newCachedThreadPool()就使用了這個隊列；
PriorityBlockingQueue：具備優先級的無限阻塞隊列。

3.4 飽和策略

通常狀況下，線程池採用的是AbortPolicy，表示沒法處理新任務時拋出異常。JDK1.5中java線程池框架提供了4種飽和策略：

AbortPolicy：直接拋出異常；
CallerRunsPolicy：使用調用者所在線程來運行任務；
DiscardOldestPolicy：丟棄隊列裏最近的一個任務，並執行當前任務；
DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。

也能夠根據場景來實現RejectedExecutionHandler接口來自定義策略。

3.5 向線程池提交任務

execute：用於提交不須要返回值的任務，所以沒法判斷任務是否被線程執行成功；
submit：用於提交須要有返回值的任務，返回一個Future對象，經過get()獲取返回值，會阻塞當前線程直到任務完成。

3.6 關閉線程池

經過調用線程池的shutdown和shutdownNow方法來關閉線程池，他們的原理是遍歷線程池中的工做線程，而後逐個調用線程的interrupt方法來中斷線程，因此沒法影響中斷的任務可能永遠沒法終止。

這兩個方法的區別是shutdownNow首先將線程池的狀態設置爲STOP，而後嘗試中止全部的正在執行或暫停任務的線程，並返回等待任務的列表，而shutdown只是將線程池的狀態設置爲SHUTDOWN狀態，而後中斷全部沒有正在執行任務的線程。

只要調用了這兩個關閉方法中的任意一個，isShutdown方法就會返回true，當全部的任務都已關閉後，才表示線程池關閉成功，這時調用isTerminaed方法會返回true。一般調用shutdown來關閉線程池，若是任務不必定要執行完，則能夠調用shutdownNow方法。

4. Executor框架

JDK5以前，java的線程Thread既是工做單元，也是執行單元（start方法執行），JDK5開始，把工做單元與執行機制分離開來，工做單元包括Runnable和Callable，而執行機制由Executor框架提供。（注意這裏的Executor和Executors線程池工廠類不是一回事。）

線程池類ThreadPoolExecutor的繼承關係：

ThreadPoolExecutor -> AbstractExecutorService -> ExecutorService(接口) -> Executor(接口)。

能夠看到ThreadPoolExecutor就是Executor接口的一個實現方法。

4.1 Executor的兩層調度模型

傳統的java線程（java.lang.Thread）在JVM中被一對一映射爲本地操做系統線程，java線程啓動時會建立一個本地操做系統線程，當java線程終止時，這個操做系統線程也會被回收。

而在Executor框架中，將用戶任務映射爲固定數量的線程，在底層操做系統內核將這些線程映射到硬件處理器上，應用程序經過Executor框架控制上層調度，下層的調度由操做系統內核控制。

4.2 Executor框架的結構

Executor框架主要有3部分組成：

任務：包括被執行任務須要實現的接口：Runnable和Callable；
任務的執行：核心接口是Executor，繼承Executor的ExecutorService接口。ExecutorService接口有兩個核心實現類，ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor（繼承ThreadPoolExecutor，能夠延遲執行任務，比Timer更強大）。
異步計算的結果：包括接口Future和實現Future接口的FutureTask類。

來看一下Executor框架中主要類和接口的UML圖：