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探索JAVA并发 – 线程池详解

2019 年 10 月 7 日
筆記

线程池是并发编程中必不可少的一种工具，也是面试高频话题。

线程池，即管理着若干线程的资源池（字面意思）。相比于为每个任务分配一个线程，在线程池中执行任务优势更多：

1.线程复用：线程池中的线程是可以复用的，省去了创建、销毁线程的开销，提高了资源利用率（创建、销毁等操作都是要消耗系统资源的）和响应速度（任务提交过来线程已存在就不用等待线程创建了）；

2.合理利用资源：通过调整线程池大小，让所有处理器尽量保持忙碌，又能防止过多线程产生过多竞争浪费资源；

常用的线程池主要是ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor(定时任务线程池，继承ThreadPoolExecutor)。

Executor框架

在JAVA中，任务执行的主要抽象不是Thread，而是Executor。Executor基于生产者-消费者模式，提交任务的操作相当于生产者，执行任务的线程相当于消费者。

所谓Executor框架，其实就是定义了一个接口，我们常用的线程池ThreadPoolExecutor 就是对这个接口的一种实现。

public interface Executor {        /**       * Executes the given command at some time in the future.  The command       * may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling       * thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.       *       * @param command 可执行的任务       * @throws RejectedExecutionException 任务可能被拒绝（当Executor处理不了的时候）       * @throws NullPointerException if command is null       */      void execute(Runnable command);  }

Executors与常用线程池

Executors 其实就是Executor(加s)

Executors是一个Executor的工厂，有很多定义好的工厂方法，可以帮助懒惰的开发者快速创建一个线程池。下面是几个常用的工厂方法：

newFixedThreadPool 固定长度线程池，每次提交任务都会创建一个新线程，直到线程数量达到指定阈值则不再创建新的；
newCachedThreadPool 可缓存线程池，每次提交任务都会创建一个新线程（理论上无限制），部分任务执行完后如果没有新的任务，导致某些线程无用武之地，它们将被终结；
newSingleThreadExecutor 只有一个线程的线程池；
newScheduledThreadPool 可以延时或者定时执行任务的线程池。 public class Executors { public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); } public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); } public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); } }

如果查看上述工厂方法的源码，会发现只是 new 了一个线程池对象返回给调用者而已，没什么花里胡哨的东西。不过看看构造参数还真不少，通过这种方式比起我们自己 new 一个线程池要简单多了（才怪）。

线程池构造参数

了解线程池构造参数的意义，能让我们更清楚程序执行逻辑。

int corePoolSize : 核心线程数，有新任务来时，如果当前线程小于核心线程，则新建一个线程来执行该任务
int maximumPoolSize : 最大线程数，线程池最多拥有的线程数
long keepAliveTime : 空闲线程存活时间
TimeUnit unit : 空闲线程存活时间的单位
BlockingQueue workQueue : 存放待执行任务的阻塞队列，新任务来时，若当前线程数>=最大核心线程数，则放到这个队列(具体逻辑更复杂，请看下面源码分析)
ThreadFactory threadFactory : 创建新线程的工厂，一般用来给线程取个名字方便排查问题
RejectedExecutionHandler handler : 任务被拒绝后的处理器，默认的处理器会直接抛出异常，建议重新实现
配合源码，效果更佳：
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { // 构造函数 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数 int maximumPoolSize, // 最大线程数 long keepAliveTime, // 空闲线程存活时间 TimeUnit unit, // 空闲线程存活时间的单位 BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 存放待执行任务的阻塞队列 ThreadFactory threadFactory, // 创建新线程的工厂 RejectedExecutionHandler handler // 任务被拒绝后的处理器 ) { // … } // 提交任务 public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); /* * 没翻，懒得翻 * 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. * * 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. * * 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. */ // 当前状态值 int c = ctl.get(); // 当前线程数 = workerCountOf(c) 小于核心线程数的上限时 // 直接创建一个线程来执行任务 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // 并发提交场景下可能会失败 if (addWorker(command, true)) return; // 新增成功就可以结束了 // 失败就更新下线程池状态 c = ctl.get(); } // 不能创建核心线程来执行，并不会直接创建非核心线程，而是把任务暂存到阻塞队列 // isRunning(c)判断线程池是否还在运行 // workQueue.offer(command)返回值表示是否成功提交到队列 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // 成功放到队列里了，再检查一下线程池状态 int recheck = ctl.get(); // 如果线程池已经没有运行了，则尝试把新增的任务从队列移除 // remove(command)返回值表示是否移除成功 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); // 移除成功后，执行拒绝策略 // 检查下当前线程数是否为0，如果是的话新建一个线程 else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } // 线程池没有运行，或者放入队列失败（比如队列已满） // 则创建非核心线程去执行任务，这也失败就只能拒绝了 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }

、

当对线程池的构造参数和任务处理逻辑有了以上大致的了解后，回想Executors 提供的几个工厂方法，或许会感到所谓提供便利性的方法并不那么便利。因为从方法的名字上来看很难和线程池的配置准确关联，想要清除地知道这些方法创建的线程池如何运作，就需要知道他们用了怎样的构造参数，那为什么不直接使用构造方法呢？

所以尽量使用构造方法是更好的编程习惯，这样不管是作者还是其他开发者，只要看看传了什么参数，就知道这个线程池是怎么运作的了。

线程池创建示例

import java.util.concurrent.*;  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;    public class Main {        public static void main(String[] args) throws Exception {          AtomicInteger threadCount = new AtomicInteger();          ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(                  5,  // 核心线程数                  10, // 最大线程数                  1,  // 空闲线程存活时间                  TimeUnit.MINUTES, // 空闲线程存活时间单位                  new ArrayBlockingQueue<>(100), // 一个指定上限的阻塞队列，存放待执行任务                  new ThreadFactory() {                      // 自定义一个线程工厂来给线程池里的线程取名字                      @Override                      public Thread newThread(Runnable r) {                          return new Thread(r, "pool-thread-"                              + threadCount.incrementAndGet());                      }                  },                  new RejectedExecutionHandler() {                      // 自定义一个拒绝处理策略，安慰被线程池拒之门外的小可怜                      @Override                      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {                          System.out.println("线程池拒绝了任务: " + r);                      }                  }          );      }    }

有返回值的提交方式

submit

ThreadPoolExecutor.execute() 方法是没有返回值的，也就是说把任务提交给线程池后，我们就失去了它的消息，除非你还保留着它的引用，并且在里面有维护状态。如果不想这么麻烦，可以使用ThreadPoolExecutor.submit()来提交任务，这个方法会返回一个 Future 对象，通过这个对象可以知道任务何时被执行完。

import java.util.concurrent.*;  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;    public class Main {        public static void main(String[] args) throws Exception {          // 线程池定义          // ...            Future<?> future = executor.submit(new Runnable() {              @Override              public void run() {                  try {                      Thread.sleep(2000);                  } catch (InterruptedException e) {                      e.printStackTrace();                  }                  System.out.println("我要关注: 一杯82年的JAVA");              }          });          Object r = future.get();          System.out.println("返回：" + r);          executor.shutdown();      }    }    /* 输出:    我要关注: 一杯82年的JAVA  返回：null    */

可以看到 Future.get() 是有返回值的，但是上面的例子返回了 null，因为任务是一个Runnable 实现，run 方法没有返回值。

submit Callable

如果想任务有返回值，可以使用 Callable 作为任务定义。

import java.util.concurrent.*;  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;    public class Main {        public static void main(String[] args) throws Exception {          // 线程池定义          // ...            Future<String> future = executor.submit(new Callable<String>() {              @Override              public String call() throws Exception {                  try {                      Thread.sleep(2000);                  } catch (InterruptedException e) {                      e.printStackTrace();                  }                  System.out.println("I'm fine, and you?");                  return "我要关注: 一杯82年的JAVA";              }          });          String r = future.get();          System.out.println("返回：" + r);          executor.shutdown();      }    }    /* 返回:    I'm fine, and you?  返回：我要关注: 一杯82年的JAVA    */

submit实现原理

为什么 submit 就可以让用户等待、获取任务返回？从源码讲起：

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {        public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {          if (task == null) throw new NullPointerException();          // 把任务用一个RunnableFuture又给包装了一下          RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);          // 最后还是调用了没有返回值的execute          execute(ftask);          return ftask;      }        protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {          return new FutureTask<T>(callable);      }  }    // 看看这个包装类  public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {         private Callable<V> callable;       private volatile int state;         // 也是Runable的一种实现，所以能在线程池中被执行       public void run() {          // 有个表示状态的标识          if (state != NEW ||              !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,                                           null, Thread.currentThread()))              return;          try {              Callable<V> c = callable;              if (c != null && state == NEW) {                  V result;                  boolean ran;                  try {                      // 执行用户的逻辑，获得返回值                      // 这个步骤可能需要点时间                      result = c.call();                      ran = true;                  } catch (Throwable ex) {                      result = null;                      ran = false;                      setException(ex);                  }                  if (ran)                      set(result);              }          } finally {              // runner must be non-null until state is settled to              // prevent concurrent calls to run()              runner = null;              // state must be re-read after nulling runner to prevent              // leaked interrupts              int s = state;              if (s >= INTERRUPTING)                  handlePossibleCancellationInterrupt(s);          }      }        // 获取执行结果，阻塞直到状态改变      public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {          int s = state;          if (s <= COMPLETING)              s = awaitDone(false, 0L);          return report(s);      }  }

小结：submit 时用一个FutureTask 把用户提交的Callable包装起来，再把FutureTask 提交给线程池执行，FutureTask.run 运行时会执行 Callable 中的业务代码，并且过程中 FutureTask 会维护一个状态标识，根据状态标识，可以知道任务是否执行完成，也可以阻塞到状态为完成获取返回值。

关闭线程池

为什么需要关闭线程池？

如果线程池里的线程一直存活，而且这些线程又不是守护线程，那么会导致虚拟机无法正常退出；
如果直接粗暴地结束应用，线程池中的任务可能没执行完，业务将处于未知状态；
线程中有些该释放的资源没有被释放。

怎么关闭线程池？

shutdown 停止接收新任务（继续提交会被拒绝，执行拒绝策略），但已提交的任务会继续执行，全部完成后线程池彻底关闭；
shutdownNow 立即停止线程池，并尝试终止正在进行的线程（通过中断），返回没执行的任务集合；
awaitTermination 阻塞当前线程，直到全部任务执行完，或者等待超时，或者被中断。

由于 shutdownNow 的终止线程是通过中断，这个方式并不能保证线程会提前停止。（关于中断: 如何处理线程中断）

一般先调用 shutdown 让线程池停止接客，然后调用 awaitTermination 等待正在工作的线程完事。

// 你的池子对我打了烊  executor.shutdown();    // 等待一首歌的时间（bei~bei~~）  // 如果超时还没结束返回false，你可以选择再等一首长点的歌，或者不等了  boolean ok = executor.awaitTermination(4, TimeUnit.SECONDS);

扩展线程池

线程池提供了一些扩展的方法，通过重写这些方法可以添加前置、后置操作，让使用更灵活。如 beforeExecute、afterExecute、terminated …

总结

线程池很好用，但使用不当会造成严重的后果，了解它各个属性表示的含义以及执行的流程能帮助我们少踩坑。

举个例子：如果设置了核心线程 < 最大线程数不等（一般都这么设置），但是又设置了一个很大的阻塞队列，那么很可能只有几个核心线程在工作，普通线程一直没机会被创建，因为核心线程满了会优先放到队列里，而不是创建普通线程。

文章来源：

https://acupt.cn/2019/07/30/concurrent-thread-pool/

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