Java ThreadPoolExecutor詳解

ThreadPoolExecutor是Java語言對於線程池的實現。池化技術是一種複用資源，減小開銷的技術。線程是操做系統的資源，線程的建立與調度由操做系統負責，線程的建立與調度都要耗費大量的資源，其中線程建立須要佔用必定的內存，而線程的調度須要不斷的切換線程上下文形成必定的開銷。同時線程執行完畢以後就會被操做系統回收，這樣在高併發狀況下就會形成系統頻繁建立線程。

爲此線程池技術爲了解決上述問題，使線程在使用完畢後不回收而是重複利用。若是線程可以複用，那麼咱們就能夠使用固定數量的線程來解決併發問題，這樣一來不只節約了系統資源，並且也會減小線程上下文切換的開銷。

參數

ThreadPoolExecutor的構造函數有7個，它們分別是：

1. corePoolSize（int）：線程池的核心線程數量
2. maximumPoolSize（int）：線程池最大線程數量
3. keepAliveTime（long）：保持線程存活的時間
4. unit（TimeUnit）：線程存活時間單位
5. workQueue（BlockingQueue）：工做隊列，用於臨時存放提交的任務
6. threadFactory（ThreadFactory）：線程工廠，用於建立線程
7. handler（RejectedExecutionHandler）：任務拒絕處理器，當線程池沒法再接受新的任務時，會交給它處理

通常狀況下，咱們只使用前五個參數，剩餘兩個咱們使用默認參數便可。

任務提交邏輯

其實，線程池建立參數都與線程池的任務提交邏輯密切相關。根據源碼描述能夠得知：當提交一個新任務時（執行線程池的execute方法）會通過三個步驟的處理。

1. 當任務數量小於corePoolSize時，線程池會建立一個新的線程（建立新線程由傳入參數threadFactory完成）來處理任務，哪怕線程池中有空閒線程，依然會選擇建立新線程來處理。
2. 當任務數量大於corePoolSize時，線程池會將新任務壓入工做隊列（參數中傳遞的workQueue）等待調度。
3. 當新提交的任務沒法壓入工做隊列時，會檢查當前任務數量是否大於maximumPoolSize。若是小於maximunPoolSize則會新建線程來處理任務（這時咱們的keepAliveTime參數就起做用了，它主要做用於這種狀況下建立的線程，若是任務數量減少，這些線程閒置了，那麼在超過keepAliveTime時間後就會被回收）。若是大於了maximumPoolSize就會交由任務拒絕處理器handler處理。

線程池狀態

正如線程有不一樣的狀態同樣，線程池也擁有不一樣的運行狀態。源碼中提出，線程池有五種狀態，分別爲：

1. RUNNING：運行狀態，不斷接收任務並處理它們。
2. SHUTDOWN：關閉狀態，不接收新任務，可是會處理工做隊列中排隊的任務。
3. STOP：中止狀態，不接收新任務，清空工做隊列且不會處理工做隊列的任務。
4. TIDYING：待終止狀態，此狀態下，任務隊列和線程池都爲空。
5. TERMINATED：終止狀態，線程池關閉。

如何讓線程不被銷燬

文章開頭說到，線程在執行完畢以後會被操做系統回收銷燬，那麼線程池時如何保障線程不被銷燬？首先看一個測試用例：

public static void testThreadState()
{
    Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("Hello world")); // 建立一個線程
    System.out.println(thread.getState()); // 此時線程的狀態爲NEW
    thread.start(); // 啓動線程，狀態爲RUNNING
    System.out.println(thread.getState());
    try
    {
      thread.join();
      System.out.println(thread.getState()); // 線程運行結束，狀態爲TERMINATED
      thread.start(); // 此時再啓動線程會發生什麼呢？
    } catch (InterruptedException e)
    {
      e.printStackTrace();
    }
}

結果輸出：

NEW
RUNNABLE
Hello world
TERMINATED
Exception in thread "main" java.lang.IllegalThreadStateException
	at java.base/java.lang.Thread.start(Thread.java:794)
	at misc.ThreadPoolExecutorTest.testThreadState(ThreadPoolExecutorTest.java:90)
	at misc.ThreadPoolExecutorTest.main(ThreadPoolExecutorTest.java:114)

能夠看出，當一個線程運行結束以後，咱們是不可能讓線程起死回生從新啓動的。既然如此ThreadPoolExecutor如何保障線程執行完一個任務不被銷燬而繼續執行下一個任務呢？

其實這裏就要講到咱們最開始傳入的參數workQueue，它的接口類型爲BlockingQueue<T>，直譯過來就是阻塞隊列。這中隊列有個特色，就是當隊列爲空而嘗試出隊操做時會阻塞。

基於阻塞隊列的如上特色，ThreadPoolExecutor採用不斷循環+阻塞隊列的方式來實現線程不被銷燬。

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
      // 從工做隊列中不斷取任務。若是工做隊列爲空，那麼程序會阻塞在這裏
      while (task != null || (task = getTask()) != null) {
        w.lock();
       	// 檢查線程池狀態
        if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
             (Thread.interrupted() &&
              runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
            !wt.isInterrupted())
          wt.interrupt();
        try {
          beforeExecute(wt, task);
          try {
            //// 執行任務 ////
            task.run();
            afterExecute(task, null);
          } catch (Throwable ex) {
            afterExecute(task, ex);
            throw ex;
          }
        } finally {
          task = null;
          w.completedTasks++;
          w.unlock();
        }
      }
      completedAbruptly = false;
    } finally {
      processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
 }

關閉線程池

想要關閉線程池能夠經過調用shutdown()和shutdownNow()方法實現。兩種方法有所不一樣，其中調用shutdown()方法會中止接收新的任務，處理工做隊列中的任務，調用這個方法以後線程池會進入SHUTDOWN狀態，此方法無返回值而且不拋出異常。

而shutdownNow()方法會中止接收新的任務，並且會返回未完成的任務集合，同時這個方法也會拋出異常。

如何建立一個適應業務背景的線程池

線程池建立有七個參數，這幾個參數的相互做用能夠建立出適應特定業務場景的線程池。其中最爲重要的有三個參數分別爲：corePoolSize，maximumPoolSize，workQueue。其中前兩個參數已經在上文中做了詳細介紹，而workQueue參數在線程池建立中也極爲重要。workQueue主要有三種：

1. SynchronousQueue：這個隊列只能容納一個元素，並且只有當隊列爲空時能夠入隊。
2. ArrayBlockingQueue：這是一個固定容量大小的隊列。
3. LinkedBlockingQueue：鏈式阻塞隊列，容量無限。

經過上述三種隊列的特性咱們能夠得知，

1. 當使用SynchronousQueue的時候，老是傾向於新建線程處理請求，若是線程池大小參數設置的很大，那麼線程數量傾向於無限增加。這樣的線程池可以高效處理突發增加的請求，並且處理效率很高，可是開銷很大。
2. 當使用ArrayBlockingQueue的時候，線程池所能處理的瞬時最大任務量爲隊列大小 + 線程池最大數量，這樣的線程池中規中矩，使用的業務場景不少，具體還需結合業務場景來調配三個參數的大小。例如I/O密集型的場景，多數的線程處於阻塞狀態，爲了提升系統吞吐量，咱們但願可以有多數線程來處理IO。這樣的話咱們偏向於將corePoolSize設置的大一點。並且阻塞隊列大小不要設置很大，同時maximumPoolSize也設置的大一點。
3. 當使用LinkedBlockingQueue時，線程池的maximumPoolSize參數會失效，由於按照任務提交流程來看，LinkedBlockingQueue能夠無限制地容納任務，天然不會出現隊列沒法工做，新建線程處理的狀況。使用LinkedBlockingQueue能夠平穩地處理一些請求激增的狀況，可是處理效率不會提升，僅僅可以起到必定的緩衝做用。