多線程的異步執行方式,雖然可以最大限度發揮多核計算機的計算能力,可是若是不加控制,反而會對系統形成負擔。線程自己也要佔用內存空間,大量的線程會佔用內存資源而且可能會致使Out of Memory。即使沒有這樣的狀況,大量的線程回收也會給GC帶來很大的壓力。html
爲了不重複的建立線程,線程池的出現可讓線程進行復用。通俗點講,當有工做來,就會向線程池拿一個線程,當工做完成後,並非直接關閉線程,而是將這個線程歸還給線程池供其餘任務使用。java
接下來從整體到細緻的方式,來共同探討線程池。數組
來看Executor的框架圖:
緩存
接口:Executor,CompletionService,ExecutorService,ScheduledExecutorService多線程
抽象類:AbstractExecutorService架構
實現類:ExecutorCompletionService,ThreadPoolExecutor,ScheduledThreadPoolExecutor併發
從圖中就能夠看到主要的方法,本文主要討論的是ThreadPoolExecutor框架
看一下該類的構造器:dom
public ThreadPoolExecutor(int paramInt1, int paramInt2, long paramLong, TimeUnit paramTimeUnit, BlockingQueue<Runnable> paramBlockingQueue, ThreadFactory paramThreadFactory, RejectedExecutionHandler paramRejectedExecutionHandler) { this.ctl = new AtomicInteger(ctlOf(-536870912, 0)); this.mainLock = new ReentrantLock(); this.workers = new HashSet(); this.termination = this.mainLock.newCondition(); if ((paramInt1 < 0) || (paramInt2 <= 0) || (paramInt2 < paramInt1) || (paramLong < 0L)) throw new IllegalArgumentException(); if ((paramBlockingQueue == null) || (paramThreadFactory == null) || (paramRejectedExecutionHandler == null)) throw new NullPointerException(); this.corePoolSize = paramInt1; this.maximumPoolSize = paramInt2; this.workQueue = paramBlockingQueue; this.keepAliveTime = paramTimeUnit.toNanos(paramLong); this.threadFactory = paramThreadFactory; this.handler = paramRejectedExecutionHandler; }
corePoolSize :線程池的核心池大小,在建立線程池以後,線程池默認沒有任何線程。異步
當有任務過來的時候纔會去建立建立線程執行任務。換個說法,線程池建立以後,線程池中的線程數爲0,當任務過來就會建立一個線程去執行,直到線程數達到corePoolSize 以後,就會被到達的任務放在隊列中。(注意是到達的任務)。換句更精煉的話:corePoolSize 表示容許線程池中容許同時運行的最大線程數。
若是執行了線程池的prestartAllCoreThreads()方法,線程池會提早建立並啓動全部核心線程。
maximumPoolSize :線程池容許的最大線程數,他表示最大能建立多少個線程。maximumPoolSize確定是大於等於corePoolSize。
keepAliveTime :表示線程沒有任務時最多保持多久而後中止。默認狀況下,只有線程池中線程數大於corePoolSize 時,keepAliveTime 纔會起做用。換句話說,當線程池中的線程數大於corePoolSize,而且一個線程空閒時間達到了keepAliveTime,那麼就是shutdown。
Unit:keepAliveTime 的單位。
workQueue :一個阻塞隊列,用來存儲等待執行的任務,當線程池中的線程數超過它的corePoolSize的時候,線程會進入阻塞隊列進行阻塞等待。經過workQueue,線程池實現了阻塞功能
threadFactory :線程工廠,用來建立線程。
handler :表示當拒絕處理任務時的策略。
任務緩存隊列
在前面咱們屢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的類型爲BlockingQueue<Runnable>,一般能夠取下面三種類型:
1)有界任務隊列ArrayBlockingQueue:基於數組的先進先出隊列,此隊列建立時必須指定大小;
2)無界任務隊列LinkedBlockingQueue:基於鏈表的先進先出隊列,若是建立時沒有指定此隊列大小,則默認爲Integer.MAX_VALUE;
3)直接提交隊列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。
AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException
CallerRunsPolicy:只要線程池未關閉,該策略直接在調用者線程中,運行當前被丟棄的任務。顯然這樣作不會真的丟棄任務,可是,任務提交線程的性能極有可能會急劇降低。
DiscardOldestPolicy:丟棄隊列中最老的一個請求,也就是即將被執行的一個任務,並嘗試再次提交當前任務。
DiscardPolicy:丟棄任務,不作任何處理。
若是當前線程池中的線程數目小於corePoolSize,則每來一個任務,就會建立一個線程去執行這個任務;
若是當前線程池中的線程數目>=corePoolSize,則每來一個任務,會嘗試將其添加到任務緩存隊列當中,若添加成功,則該任務會等待空閒線程將其取出去執行;若添加失敗(通常來講是任務緩存隊列已滿),則會嘗試建立新的線程去執行這個任務;若是當前線程池中的線程數目達到maximumPoolSize,則會採起任務拒絕策略進行處理;
若是線程池中的線程數量大於 corePoolSize時,若是某線程空閒時間超過keepAliveTime,線程將被終止,直至線程池中的線程數目不大於corePoolSize;若是容許爲核心池中的線程設置存活時間,那麼核心池中的線程空閒時間超過keepAliveTime,線程也會被終止。
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():不會當即終止線程池,而是要等全部任務緩存隊列中的任務都執行完後才終止,但不再會接受新的任務
shutdownNow():當即終止線程池,並嘗試打斷正在執行的任務,而且清空任務緩存隊列,返回還沒有執行的任務
首先來看最核心的execute方法,這個方法在AbstractExecutorService中並無實現,從Executor接口,直到ThreadPoolExecutor才實現了改方法,
ExecutorService中的submit(),invokeAll(),invokeAny()都是調用的execute方法,因此execute是核心中的核心,源碼分析將圍繞它逐步展開。
public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); /* * Proceed in 3 steps: * * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to * start a new thread with the given command as its first * task. The call to addWorker atomically checks runState and * workerCount, and so prevents false alarms that would add * threads when it shouldn't, by returning false. * 若是正在運行的線程數小於corePoolSize,那麼將調用addWorker 方法來建立一個新的線程,並將該任務做爲新線程的第一個任務來執行。
固然,在建立線程以前會作原子性質的檢查,若是條件不容許,則不建立線程來執行任務,並返回false.
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need * to double-check whether we should have added a thread * (because existing ones died since last checking) or that * the pool shut down since entry into this method. So we * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if * stopped, or start a new thread if there are none. * 若是一個任務成功進入阻塞隊列,那麼咱們須要進行一個雙重檢查來確保是咱們已經添加一個線程(由於存在着一些線程在上次檢查後他已經死亡)或者
當咱們進入該方法時,該線程池已經關閉。因此,咱們將從新檢查狀態,線程池關閉的狀況下則回滾入隊列,線程池沒有線程的狀況則建立一個新的線程。 * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new * thread. If it fails, we know we are shut down or saturated * and so reject the task.
若是任務沒法入隊列(隊列滿了),那麼咱們將嘗試新開啓一個線程(從corepoolsize到擴充到maximum),若是失敗了,那麼能夠肯定緣由,要麼是
線程池關閉了或者飽和了(達到maximum),因此咱們執行拒絕策略。
*/
// 1.當前線程數量小於corePoolSize,則建立並啓動線程。 int c = ctl.get(); if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true))
// 成功,則返回
return; c = ctl.get(); }
// 2.步驟1失敗,則嘗試進入阻塞隊列, if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 入隊列成功,檢查線程池狀態,若是狀態部署RUNNING並且remove成功,則拒絕任務 int recheck = ctl.get(); if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command);
// else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); }
// 3. 步驟1和2失敗,則嘗試將線程池的數量有corePoolSize擴充至 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }若是當前worker數量爲0,經過addWorker(null, false)建立一個線程,其任務爲nullmaxPoolSize,若是失敗,則拒絕任務
相信看了代碼也是一臉懵,接下來用一個流程圖來說一講,他究竟幹了什麼事:
結合上面的流程圖來逐行解析,首先前面進行空指針檢查,
wonrkerCountOf()方法可以取得當前線程池中的線程的總數,取得當前線程數與核心池大小比較,
excute()方法中添加任務的方式是使用addWorker()方法,看一下源碼,一塊兒學習一下。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry:
// 外層循環,用於判斷線程池狀態 for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; // 內層的循環,任務是將worker數量加1 for (;;) { int wc = workerCountOf(c); if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } } // worker加1後,接下來將woker添加到HashSet<Worker>中,並啓動worker boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { mainLock.lock(); try { // Recheck while holding lock. // Back out on ThreadFactory failure or if // shut down before lock acquired. int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); workers.add(w); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); }
if (workerAdded) { t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; } // 若是往HashSet<Worker>添加成功,則啓動該線程
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)的主要任務是建立並啓動線程。
他會根據當前線程的狀態和給定的值(core or maximum)來判斷是否能夠建立一個線程。
addWorker共有四種傳參方式。execute使用了其中三種,分別爲:
1.addWorker(paramRunnable, true)
線程數小於corePoolSize時,放一個須要處理的task進Workers Set。若是Workers Set長度超過corePoolSize,就返回false.
2.addWorker(null, false)
放入一個空的task進workers Set,長度限制是maximumPoolSize。這樣一個task爲空的worker在線程執行的時候會去任務隊列裏拿任務,這樣就至關於建立了一個新的線程,只是沒有立刻分配任務。
3.addWorker(paramRunnable, false)
當隊列被放滿時,就嘗試將這個新來的task直接放入Workers Set,而此時Workers Set的長度限制是maximumPoolSize。若是線程池也滿了的話就返回false.
還有一種狀況是execute()方法沒有使用的
addWorker(null, true)
這個方法就是放一個null的task進Workers Set,並且是在小於corePoolSize時,若是此時Set中的數量已經達到corePoolSize那就返回false,什麼也不幹。實際使用中是在prestartAllCoreThreads()方法,這個方法用來爲線程池預先啓動corePoolSize個worker等待從workQueue中獲取任務執行。
執行流程:
一、判斷線程池當前是否爲能夠添加worker線程的狀態,能夠則繼續下一步,不能夠return false:
A、線程池狀態>shutdown,可能爲stop、tidying、terminated,不能添加worker線程
B、線程池狀態==shutdown,firstTask不爲空,不能添加worker線程,由於shutdown狀態的線程池不接收新任務
C、線程池狀態==shutdown,firstTask==null,workQueue爲空,不能添加worker線程,由於firstTask爲空是爲了添加一個沒有任務的線程再從workQueue獲取task,而workQueue爲 空,說明添加無任務線程已經沒有意義
二、線程池當前線程數量是否超過上限(corePoolSize 或 maximumPoolSize),超過了return false,沒超過則對workerCount+1,繼續下一步
三、在線程池的ReentrantLock保證下,向Workers Set中添加新建立的worker實例,添加完成後解鎖,並啓動worker線程,若是這一切都成功了,return true,若是添加worker入Set失敗或啓動失敗,調用addWorkerFailed()邏輯
newFixedThreadPool
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0) { return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue()); }
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var1);
}
固定大小的線程池,能夠指定線程池的大小,該線程池corePoolSize和maximumPoolSize相等,阻塞隊列使用的是LinkedBlockingQueue,大小爲整數最大值。
該線程池中的線程數量始終不變,當有新任務提交時,線程池中有空閒線程則會當即執行,若是沒有,則會暫存到阻塞隊列。對於固定大小的線程池,不存在線程數量的變化。同時使用無界的LinkedBlockingQueue來存放執行的任務。當任務提交十分頻繁的時候,LinkedBlockingQueue
迅速增大,存在着耗盡系統資源的問題。並且在線程池空閒時,即線程池中沒有可運行任務時,它也不會釋放工做線程,還會佔用必定的系統資源,須要shutdown。
newSingleThreadExecutor
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())); } public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory var0) { return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var0)); }
單個線程線程池,只有一個線程的線程池,阻塞隊列使用的是LinkedBlockingQueue,如有多餘的任務提交到線程池中,則會被暫存到阻塞隊列,待空閒時再去執行。按照先入先出的順序執行任務。
newCachedThreadPool
public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue()); } public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory var0) { return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue(), var0); }
緩存線程池,緩存的線程默認存活60秒。線程的核心池corePoolSize大小爲0,核心池最大爲Integer.MAX_VALUE,阻塞隊列使用的是SynchronousQueue。是一個直接提交的阻塞隊列, 他總會迫使線程池增長新的線程去執行新的任務。在沒有任務執行時,當線程的空閒時間超過keepAliveTime(60秒),則工做線程將會終止被回收,當提交新任務時,若是沒有空閒線程,則建立新線程執行任務,會致使必定的系統開銷。若是同時又大量任務被提交,並且任務執行的時間不是特別快,那麼線程池便會新增出等量的線程池處理任務,這極可能會很快耗盡系統的資源。
newScheduledThreadPool
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0); } public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0, var1); }
定時線程池,該線程池可用於週期性地去執行任務,一般用於週期性的同步數據。
scheduleAtFixedRate:是以固定的頻率去執行任務,週期是指每次執行任務成功執行之間的間隔。
schedultWithFixedDelay:是以固定的延時去執行任務,延時是指上一次執行成功以後和下一次開始執行的以前的時間。
newFixedThreadPool實例:
public class FixPoolDemo { private static Runnable getThread(final int i) { return new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(i); } }; } public static void main(String args[]) { ExecutorService fixPool = Executors.newFixedThreadPool(5); for (int i = 0; i < 10; i++) { fixPool.execute(getThread(i)); } fixPool.shutdown(); } }
newCachedThreadPool實例:
public class CachePool { private static Runnable getThread(final int i){ return new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(1000); }catch (Exception e){ } System.out.println(i); } }; } public static void main(String args[]){ ExecutorService cachePool = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i=1;i<=10;i++){ cachePool.execute(getThread(i)); } } }
這裏沒用調用shutDown方法,這裏能夠發現過60秒以後,會自動釋放資源。
newSingleThreadExecutor
public class SingPoolDemo { private static Runnable getThread(final int i){ return new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(i); } }; } public static void main(String args[]) throws InterruptedException { ExecutorService singPool = Executors.newSingleThreadExecutor(); for (int i=0;i<10;i++){ singPool.execute(getThread(i)); } singPool.shutdown(); }
這裏須要注意一點,newSingleThreadExecutor和newFixedThreadPool同樣,在線程池中沒有任務時可執行,也不會釋放系統資源的,因此須要shudown。
newScheduledThreadPool
public class ScheduledExecutorServiceDemo { public static void main(String args[]) { ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(10); ses.scheduleAtFixedRate(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(4000); System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "執行了"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS); } }
線程池的大小決定着系統的性能,過大或者太小的線程池數量都沒法發揮最優的系統性能。
固然線程池的大小也不須要作的太過於精確,只須要避免過大和太小的狀況。通常來講,肯定線程池的大小須要考慮CPU的數量,內存大小,任務是計算密集型仍是IO密集型等因素
NCPU = CPU的數量
UCPU = 指望對CPU的使用率 0 ≤ UCPU ≤ 1
W/C = 等待時間與計算時間的比率
若是但願處理器達到理想的使用率,那麼線程池的最優大小爲:
線程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)
在Java中使用
int ncpus = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
獲取CPU的數量。
Executors的線程池若是不指定線程工廠會使用Executors中的DefaultThreadFactory,默認線程池工廠建立的線程都是非守護線程。
使用自定義的線程工廠能夠作不少事情,好比能夠跟蹤線程池在什麼時候建立了多少線程,也能夠自定義線程名稱和優先級。若是將
新建的線程都設置成守護線程,當主線程退出後,將會強制銷燬線程池。
下面這個例子,記錄了線程的建立,並將全部的線程設置成守護線程。
public class ThreadFactoryDemo { public static class MyTask1 implements Runnable{ @Override public void run() { System.out.println(System.currentTimeMillis()+"Thrad ID:"+Thread.currentThread().getId()); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args){ MyTask1 task = new MyTask1(); ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MICROSECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), new ThreadFactory() { @Override public Thread newThread(Runnable r) { Thread t = new Thread(r); t.setDaemon(true); System.out.println("建立線程"+t); return t; } }); for (int i = 0;i<=4;i++){ es.submit(task); } } }
ThreadPoolExecutor是能夠拓展的,它提供了幾個能夠在子類中改寫的方法:beforeExecute,afterExecute和terimated。
在執行任務的線程中將調用beforeExecute和afterExecute,這些方法中還能夠添加日誌,計時,監視或統計收集的功能,
還能夠用來輸出有用的調試信息,幫助系統診斷故障。下面是一個擴展線程池的例子:
public class ThreadFactoryDemo { public static class MyTask1 implements Runnable{ @Override public void run() { System.out.println(System.currentTimeMillis()+"Thrad ID:"+Thread.currentThread().getId()); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args){ MyTask1 task = new MyTask1(); ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MICROSECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), new ThreadFactory() { @Override public Thread newThread(Runnable r) { Thread t = new Thread(r); t.setDaemon(true); System.out.println("建立線程"+t); return t; } }); for (int i = 0;i<=4;i++){ es.submit(task); } } }
線程池的正確使用
如下阿里編碼規範裏面說的一段話:
線程池不容許使用Executors去建立,而是經過ThreadPoolExecutor的方式,這樣的處理方式讓寫的同窗更加明確線程池的運行規則,規避資源耗盡的風險。 說明:Executors各個方法的弊端:
1)newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor:
主要問題是堆積的請求處理隊列可能會耗費很是大的內存,甚至OOM。
2)newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:
主要問題是線程數最大數是Integer.MAX_VALUE,可能會建立數量很是多的線程,甚至OOM。
1.任務獨立。如何任務依賴於其餘任務,那麼可能產生死鎖。例如某個任務等待另外一個任務的返回值或執行結果,那麼除非線程池足夠大,不然將發生線程飢餓死鎖。
2.合理配置阻塞時間過長的任務。若是任務阻塞時間過長,那麼即便不出現死鎖,線程池的性能也會變得很糟糕。在Java併發包裏可阻塞方法都同時定義了限時方式和不限時方式。例如
Thread.join,BlockingQueue.put,CountDownLatch.await等,若是任務超時,則標識任務失敗,而後停止任務或者將任務放回隊列以便隨後執行,這樣,不管任務的最終結果是否成功,這種辦法都可以保證任務總能繼續執行下去。
3.設置合理的線程池大小。只須要避免過大或者太小的狀況便可,上文的公式線程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)。
4.選擇合適的阻塞隊列。newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor都使用了無界的阻塞隊列,無界阻塞隊列會有消耗很大的內存,若是使用了有界阻塞隊列,它會規避內存佔用過大的問題,可是當任務填滿有界阻塞隊列,新的任務該怎麼辦?在使用有界隊列是,須要選擇合適的拒絕策略,隊列的大小和線程池的大小必須一塊兒調節。對於很是大的或者無界的線程池,可使用SynchronousQueue來避免任務排隊,以直接將任務從生產者提交到工做者線程。
下面是Thrift框架處理socket任務所使用的一個線程池,能夠看一下FaceBook的工程師是如何自定義線程池的。
private static ExecutorService createDefaultExecutorService(Args args) { SynchronousQueue executorQueue = new SynchronousQueue(); return new ThreadPoolExecutor(args.minWorkerThreads, args.maxWorkerThreads, 60L, TimeUnit.SECONDS, executorQueue); }
總結:
本文是做者在平時的工做學習中總結出來的,若是不足之處歡迎批評斧正。
參考資料
《實戰Java》高併發程序設計
《Java Concurrency in Practice》
Java線程池ThreadPoolExecutor使用和分析(二)
個人博客即將入駐「雲棲社區」,誠邀技術同仁一同入駐。