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Java線程池框架核心代碼分析

前言

多線程編程中，為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)線程是不現(xiàn)實(shí)的，線程創(chuàng)建的開銷和資源消耗都是很高的。線程池應(yīng)運(yùn)而生，成為我們管理線程的利器。Java 通過Executor接口，提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的方法將任務(wù)的提交過程和執(zhí)行過程解耦開來，并用Runnable表示任務(wù)。

為永修等地區(qū)用戶提供了全套網(wǎng)頁設(shè)計(jì)制作服務(wù)，及永修網(wǎng)站建設(shè)行業(yè)解決方案。主營業(yè)務(wù)為成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、做網(wǎng)站、永修網(wǎng)站設(shè)計(jì)，以傳統(tǒng)方式定制建設(shè)網(wǎng)站，并提供域名空間備案等一條龍服務(wù)，秉承以專業(yè)、用心的態(tài)度為用戶提供真誠的服務(wù)。我們深信只要達(dá)到每一位用戶的要求，就會(huì)得到認(rèn)可，從而選擇與我們長期合作。這樣，我們也可以走得更遠(yuǎn)！

下面，我們來分析一下 Java 線程池框架的實(shí)現(xiàn)ThreadPoolExecutor。

下面的分析基于JDK1.7

生命周期

ThreadPoolExecutor中，使用CAPACITY的高3位來表示運(yùn)行狀態(tài)，分別是：

  1. RUNNING：接收新任務(wù)，并且處理任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)
  2. SHUTDOWN：不接收新任務(wù)，但是處理任務(wù)隊(duì)列的任務(wù)
  3. STOP：不接收新任務(wù)，不出來任務(wù)隊(duì)列，同時(shí)中斷所有進(jìn)行中的任務(wù)
  4. TIDYING：所有任務(wù)已經(jīng)被終止，工作線程數(shù)量為 0，到達(dá)該狀態(tài)會(huì)執(zhí)行terminated()
  5. TERMINATED：terminated()執(zhí)行完畢

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

ThreadPoolExecutor中用原子類來表示狀態(tài)位

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

線程池模型

核心參數(shù)

  • corePoolSize：最小存活的工作線程數(shù)量（如果設(shè)置allowCoreThreadTimeOut，那么該值為 0）
  • maximumPoolSize：最大的線程數(shù)量，受限于CAPACITY
  • keepAliveTime：對應(yīng)線程的存活時(shí)間，時(shí)間單位由TimeUnit指定
  • workQueue：工作隊(duì)列，存儲待執(zhí)行的任務(wù)
  • RejectExecutionHandler：拒絕策略，線程池滿后會(huì)觸發(fā)

線程池的最大容量：CAPACITY中的前三位用作標(biāo)志位，也就是說工作線程的最大容量為(2^29)-1

四種模型

  • CachedThreadPool：一個(gè)可緩存的線程池，如果線程池的當(dāng)前規(guī)模超過了處理需求時(shí)，那么將回收空閑的線程，當(dāng)需求增加時(shí)，則可以添加新的線程，線程池的規(guī)模不存在任何的限制。
  • FixedThreadPool：一個(gè)固定大小的線程池，提交一個(gè)任務(wù)時(shí)就創(chuàng)建一個(gè)線程，直到達(dá)到線程池的最大數(shù)量，這時(shí)線程池的大小將不再變化。
  • SingleThreadPool：一個(gè)單線程的線程池，它只有一個(gè)工作線程來執(zhí)行任務(wù)，可以確保按照任務(wù)在隊(duì)列中的順序來串行執(zhí)行，如果這個(gè)線程異常結(jié)束將創(chuàng)建一個(gè)新的線程來執(zhí)行任務(wù)。
  • ScheduledThreadPool：一個(gè)固定大小的線程池，并且以延遲或者定時(shí)的方式來執(zhí)行任務(wù)，類似于Timer。

執(zhí)行任務(wù) execute

核心邏輯：

  1. 當(dāng)前線程數(shù)量 < corePoolSize，直接開啟新的核心線程執(zhí)行任務(wù)addWorker(command, true)
  2. 當(dāng)前線程數(shù)量 >= corePoolSize，且任務(wù)加入工作隊(duì)列成功
    1. 檢查線程池當(dāng)前狀態(tài)是否處于RUNNING
    2. 如果否，則拒絕該任務(wù)
    3. 如果是，判斷當(dāng)前線程數(shù)量是否為 0，如果為 0，就增加一個(gè)工作線程。
  3. 開啟普通線程執(zhí)行任務(wù)addWorker(command, false)，開啟失敗就拒絕該任務(wù)

從上面的分析可以總結(jié)出線程池運(yùn)行的四個(gè)階段：

  1. poolSize < corePoolSize 且隊(duì)列為空，此時(shí)會(huì)新建線程來處理提交的任務(wù)
  2. poolSize == corePoolSize，此時(shí)提交的任務(wù)進(jìn)入工作隊(duì)列，工作線程從隊(duì)列中獲取任務(wù)執(zhí)行，此時(shí)隊(duì)列不為空且未滿。
  3. poolSize == corePoolSize，并且隊(duì)列已滿，此時(shí)也會(huì)新建線程來處理提交的任務(wù)，但是poolSize < maxPoolSize
  4. poolSize == maxPoolSize，并且隊(duì)列已滿，此時(shí)會(huì)觸發(fā)拒絕策略

拒絕策略

前面我們提到任務(wù)無法執(zhí)行會(huì)被拒絕，RejectedExecutionHandler是處理被拒絕任務(wù)的接口。下面是四種拒絕策略。

  • AbortPolicy：默認(rèn)策略，終止任務(wù)，拋出RejectedException
  • CallerRunsPolicy：在調(diào)用者線程執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)，不拋異常
  • DiscardPolicy： 拋棄策略，直接丟棄任務(wù)，不拋異常
  • DiscardOldersPolicy：拋棄最老的任務(wù)，執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)，不拋異常

線程池中的 Worker

Worker繼承了AbstractQueuedSynchronizer和Runnable，前者給Worker提供鎖的功能，后者執(zhí)行工作線程的主要方法runWorker(Worker w)（從任務(wù)隊(duì)列撈任務(wù)執(zhí)行）。Worker 引用存在workers集合里面，用mainLock守護(hù)。

private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
private final HashSet workers = new HashSet();

核心函數(shù) runWorker

下面是簡化的邏輯，注意：每個(gè)工作線程的run都執(zhí)行下面的函數(shù)

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
        w.lock();
        beforeExecute(wt, task);
        task.run();
        afterExecute(task, thrown);
        w.unlock();
    }
    processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
  1. 從getTask()中獲取任務(wù)
  2. 鎖住 worker
  3. 執(zhí)行beforeExecute(wt, task)，這是ThreadPoolExecutor提供給子類的擴(kuò)展方法
  4. 運(yùn)行任務(wù)，如果該worker有配置了首次任務(wù)，則先執(zhí)行首次任務(wù)且只執(zhí)行一次。
  5. 執(zhí)行afterExecute(task, thrown);
  6. 解鎖 worker
  7. 如果獲取到的任務(wù)為 null，關(guān)閉 worker

獲取任務(wù) getTask

線程池內(nèi)部的任務(wù)隊(duì)列是一個(gè)阻塞隊(duì)列，具體實(shí)現(xiàn)在構(gòu)造時(shí)傳入。

private final BlockingQueue workQueue;

getTask()從任務(wù)隊(duì)列中獲取任務(wù)，支持阻塞和超時(shí)等待任務(wù)，四種情況會(huì)導(dǎo)致返回null，讓worker關(guān)閉。

  1. 現(xiàn)有的線程數(shù)量超過最大線程數(shù)量
  2. 線程池處于STOP狀態(tài)
  3. 線程池處于SHUTDOWN狀態(tài)且工作隊(duì)列為空
  4. 線程等待任務(wù)超時(shí)，且線程數(shù)量超過保留線程數(shù)量

核心邏輯：根據(jù)timed在阻塞隊(duì)列上超時(shí)等待或者阻塞等待任務(wù)，等待任務(wù)超時(shí)會(huì)導(dǎo)致工作線程被關(guān)閉。

timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
Runnable r = timed ?
    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
    workQueue.take();

在以下兩種情況下等待任務(wù)會(huì)超時(shí)：

  1. 允許核心線程等待超時(shí)，即allowCoreThreadTimeOut(true)
  2. 當(dāng)前線程是普通線程，此時(shí)wc > corePoolSize

工作隊(duì)列使用的是BlockingQueue，這里就不展開了，后面再寫一篇詳細(xì)的分析。

總結(jié)

  • ThreadPoolExecutor基于生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式，提交任務(wù)的操作相當(dāng)于生產(chǎn)者，執(zhí)行任務(wù)的線程相當(dāng)于消費(fèi)者。
  • Executors提供了四種基于ThreadPoolExecutor構(gòu)造線程池模型的方法，除此之外，我們還可以直接繼承ThreadPoolExecutor，重寫beforeExecute和afterExecute方法來定制線程池任務(wù)執(zhí)行過程。
  • 使用有界隊(duì)列還是無界隊(duì)列需要根據(jù)具體情況考慮，工作隊(duì)列的大小和線程的數(shù)量也是需要好好考慮的。
  • 拒絕策略推薦使用CallerRunsPolicy，該策略不會(huì)拋棄任務(wù)，也不會(huì)拋出異常，而是將任務(wù)回退到調(diào)用者線程中執(zhí)行。

當(dāng)前名稱：Java線程池框架核心代碼分析
URL地址：http://www.dlmjj.cn/article/dpjcdch.html