主要讲解Java线程池的基础知识。
前言
目前书籍《Java并发编程实战》看到“第7章:取消与关闭”,里面涉及到部分线程池的内容,然后第8章就是线程池,所以打算把之前看的线程池的资料再整理一下,便于后面能更好理解书中的内容。
之前看过一篇博客,关于线程池的内容讲解的非常好,我只截取基础知识部分,把Java基础内容全部掌握后,再对里面的原理部分进行深入理解,后面会附上该篇博客的链接。
初识线程池
我们知道,线程的创建和销毁都需要映射到操作系统,因此其代价是比较高昂的。出于避免频繁创建、销毁线程以及方便线程管理的需要,线程池应运而生。
线程池优势
- 降低资源消耗:线程池通常会维护一些线程(数量为 corePoolSize),这些线程被重复使用来执行不同的任务,任务完成后不会销毁。在待处理任务量很大的时候,通过对线程资源的复用,避免了线程的频繁创建与销毁,从而降低了系统资源消耗。
- 提高响应速度:由于线程池维护了一批 alive 状态的线程,当任务到达时,不需要再创建线程,而是直接由这些线程去执行任务,从而减少了任务的等待时间。
- 提高线程的可管理性:使用线程池可以对线程进行统一的分配,调优和监控。
线程池设计思路
有句话叫做艺术来源于生活,编程语言也是如此,很多设计思想能映射到日常生活中,比如面向对象思想、封装、继承,等等。今天我们要说的线程池,它同样可以在现实世界找到对应的实体——工厂。先假想一个工厂的生产流程:
工厂中有固定的一批工人,称为正式工人,工厂接收的订单由这些工人去完成。当订单增加,正式工人已经忙不过来了,工厂会将生产原料暂时堆积在仓库中,等有空闲的工人时再处理(因为工人空闲了也不会主动处理仓库中的生产任务,所以需要调度员实时调度)。仓库堆积满了后,订单还在增加怎么办?工厂只能临时扩招一批工人来应对生产高峰,而这批工人高峰结束后是要清退的,所以称为临时工。当时临时工也招满后(受限于工位限制,临时工数量有上限),后面的订单只能忍痛拒绝了。我们做如下一番映射:
- 工厂——线程池
- 订单——任务(Runnable)
- 正式工人——核心线程
- 临时工——普通线程
- 仓库——任务队列
- 调度员——getTask()
getTask()是一个方法,将任务队列中的任务调度给空闲线程。
映射后,形成线程池流程图如下,两者是不是有异曲同工之妙?
点评一下:感觉作者的这个类比,太TM经典了!!!直接抓住了线程调用的精髓。这就是为什么看书时不能只盯着书看,可能你看半天都不懂书中讲的啥,找一篇经典的博客,瞬间给你拨开云雾,而且还印象深刻。
这样,线程池的工作原理或者说流程就很好理解了,提炼成一个简图:
深入线程池
那么接下来,问题来了,线程池是具体如何实现这套工作机制的呢?从Java线程池Executor框架体系可以看出:线程池的真正实现类是ThreadPoolExecutor,因此我们接下来重点研究这个类。
构造方法
研究一个类,先从它的构造方法开始。ThreadPoolExecutor提供了4个有参构造方法:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
感觉构造方法有点多,其实前面的基础参数都是一样的,就后面两个可选参数“线程工厂”和“拒绝策略”不一样,组合一下就是2*2=4种情况。
解释一下构造方法中涉及到的参数:
- corePoolSize(必需):核心线程数。即池中一直保持存活的线程数,即使这些线程处于空闲。但是将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后,核心线程处于空闲一段时间以上,也会被回收。
- maximumPoolSize(必需):池中允许的最大线程数。当核心线程全部繁忙且任务队列打满之后,线程池会临时追加线程,直到总线程数达到maximumPoolSize这个上限。
- keepAliveTime(必需):线程空闲超时时间。当非核心线程处于空闲状态的时间超过这个时间后,该线程将被回收。将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后,核心线程也会被回收。
- unit(必需):keepAliveTime参数的时间单位。有:TimeUnit.DAYS(天)、TimeUnit.HOURS(小时)、TimeUnit.MINUTES(分钟)、TimeUnit.SECONDS(秒)、TimeUnit.MILLISECONDS(毫秒)、TimeUnit.MICROSECONDS(微秒)、TimeUnit.NANOSECONDS(纳秒)
- workQueue(必需):任务队列,采用阻塞队列实现。当核心线程全部繁忙时,后续由execute方法提交的Runnable将存放在任务队列中,等待被线程处理。
- threadFactory(可选):线程工厂。指定线程池创建线程的方式。
- handler(可选):拒绝策略。当线程池中线程数达到maximumPoolSize且workQueue打满时,后续提交的任务将被拒绝,handler可以指定用什么方式拒绝任务。
了解完“线程的设计思路”,再看构造方法的这些参数,感觉就非常容易懂了。
任务队列
使用ThreadPoolExecutor需要指定一个实现了BlockingQueue接口的任务等待队列。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中,一共推荐了三种等待队列:
- SynchronousQueue:同步队列。这是一个内部没有任何容量的阻塞队列,任何一次插入操作的元素都要等待相对的删除/读取操作,否则进行插入操作的线程就要一直等待,反之亦然。
- LinkedBlockingQueue:无界队列(严格来说并非无界,上限是Integer.MAX_VALUE),基于链表结构。使用无界队列后,当核心线程都繁忙时,后续任务可以无限加入队列,因此线程池中线程数不会超过核心线程数。这种队列可以提高线程池吞吐量,但代价是牺牲内存空间,甚至会导致内存溢出。另外,使用它时可以指定容量,这样它也就是一种有界队列了。
- ArrayBlockingQueue:有界队列,基于数组实现。在线程池初始化时,指定队列的容量,后续无法再调整。这种有界队列有利于防止资源耗尽,但可能更难调整和控制。
另外,Java还提供了另外4种队列:
- PriorityBlockingQueue:支持优先级排序的无界阻塞队列。存放在PriorityBlockingQueue中的元素必须实现Comparable接口,这样才能通过实现compareTo()方法进行排序。优先级最高的元素将始终排在队列的头部;PriorityBlockingQueue不会保证优先级一样的元素的排序,也不保证当前队列中除了优先级最高的元素以外的元素,随时处于正确排序的位置。
- DelayQueue:延迟队列。基于二叉堆实现,同时具备:无界队列、阻塞队列、优先队列的特征。DelayQueue延迟队列中存放的对象,必须是实现Delayed接口的类对象。通过执行时延从队列中提取任务,时间没到任务取不出来。更多内容请见DelayQueue。
- LinkedBlockingDeque:双端队列。基于链表实现,既可以从尾部插入/取出元素,还可以从头部插入元素/取出元素。
- LinkedTransferQueue:由链表结构组成的无界阻塞队列。这个队列比较特别的时,采用一种预占模式,意思就是消费者线程取元素时,如果队列不为空,则直接取走数据,若队列为空,那就生成一个节点(节点元素为null)入队,然后消费者线程被等待在这个节点上,后面生产者线程入队时发现有一个元素为null的节点,生产者线程就不入队了,直接就将元素填充到该节点,并唤醒该节点等待的线程,被唤醒的消费者线程取走元素。
感觉这提供的队列有些多啊,总共7个!说实话,我现在还不知道实际场景用哪个比较好,后面我们可以看看Java封装好的线程池,里面用的队列都是哪种。
拒绝策略
线程池有一个重要的机制:拒绝策略。当线程池workQueue已满且无法再创建新线程池时,就要拒绝后续任务了。拒绝策略需要实现RejectedExecutionHandler接口,不过Executors框架已经为我们实现了4种拒绝策略:
- AbortPolicy(默认):丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- CallerRunsPolicy:直接运行这个任务的run方法,但并非是由线程池的线程处理,而是交由任务的调用线程处理。
- DiscardPolicy:直接丢弃任务,不抛出任何异常。
- DiscardOldestPolicy:将当前处于等待队列列头的等待任务强行取出,然后再试图将当前被拒绝的任务提交到线程池执行。
线程工厂指定创建线程的方式,这个参数不是必选项,Executors类已经为我们非常贴心地提供了一个默认的线程工厂:
/**
* The default thread factory
*/
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-" +
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