當面試官問線程池時，你應該知道些什麼？

来源:https://www.cnblogs.com/yuxiang1/archive/2019/04/11/10692498.html
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概述 什麼是線程池？ 線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務添加到隊列，然後在創建線程後自動啟動這些任務。 為什麼要用線程池？ 降低資源消耗 通過重覆利用已創建的線程降低線程創建和銷毀造成的消耗。 提高響應速度 當任務到達時，任務可以不需要等到線程創建就能立即執行。 提高線程的可管理性 線程是 ...


概述

什麼是線程池？

線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務添加到隊列，然後在創建線程後自動啟動這些任務。

為什麼要用線程池？

  • 降低資源消耗
    • 通過重覆利用已創建的線程降低線程創建和銷毀造成的消耗。
  • 提高響應速度
    • 當任務到達時，任務可以不需要等到線程創建就能立即執行。
  • 提高線程的可管理性
    • 線程是稀缺資源，如果無限制的創建，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定性，使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控。但是要做到合理的利用線程池，必須對其原理瞭如指掌。

Executor 框架

簡介

semaphore

  • Executor：一個介面，其定義了一個接收 Runnable 對象的方法 executor，其方法簽名為 executor(Runnable command),
  • ExecutorService：是一個比 Executor 使用更廣泛的子類介面，其提供了生命周期管理的方法，以及可跟蹤一個或多個非同步任務執行狀況返回 Future 的方法。
  • AbstractExecutorService：ExecutorService 執行方法的預設實現。
  • ScheduledExecutorService：一個可定時調度任務的介面。
  • ScheduledThreadPoolExecutor：ScheduledExecutorService 的實現，一個可定時調度任務的線程池。
  • ThreadPoolExecutor：線程池，可以通過調用 Executors 以下靜態工廠方法來創建線程池並返回一個 ExecutorService 對象。

ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 類是 Executor 框架中最核心的一個類。

ThreadPoolExecutor 有四個構造方法，前三個都是基於第四個實現。第四個構造方法定義如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {

參數說明

  • corePoolSize：線程池的基本線程數。這個參數跟後面講述的線程池的實現原理有非常大的關係。在創建了線程池後，預設情況下，線程池中並沒有任何線程，而是等待有任務到來才創建線程去執行任務，除非調用了 prestartAllCoreThreads()或者 prestartCoreThread()方法，從這 2 個方法的名字就可以看出，是預創建線程的意思，即在沒有任務到來之前就創建 corePoolSize 個線程或者一個線程。預設情況下，在創建了線程池後，線程池中的線程數為 0，當有任務來之後，就會創建一個線程去執行任務，當線程池中的線程數目達到 corePoolSize 後，就會把到達的任務放到緩存隊列當中。
  • maximumPoolSize：線程池允許創建的最大線程數。如果隊列滿了，並且已創建的線程數小於最大線程數，則線程池會再創建新的線程執行任務。值得註意的是如果使用了無界的任務隊列這個參數就沒什麼效果。
  • keepAliveTime：線程活動保持時間。線程池的工作線程空閑後，保持存活的時間。所以如果任務很多，並且每個任務執行的時間比較短，可以調大這個時間，提高線程的利用率。
  • unit：參數 keepAliveTime 的時間單位，有 7 種取值。可選的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鐘（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
  • workQueue：任務隊列。用於保存等待執行的任務的阻塞隊列。 可以選擇以下幾個阻塞隊列。threadFactory：創建線程的工廠。可以通過線程工廠給每個創建出來的線程設置更有意義的名字。
    • ArrayBlockingQueue：是一個基於數組結構的有界阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
    • LinkedBlockingQueue：一個基於鏈表結構的阻塞隊列，此隊列按 FIFO （先進先出） 排序元素，吞吐量通常要高於 ArrayBlockingQueue。靜態工廠方法 Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。
    • SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，吞吐量通常要高於 LinkedBlockingQueue，靜態工廠方法 Executors.newCachedThreadPool 使用了這個隊列。
    • PriorityBlockingQueue：一個具有優先順序的無限阻塞隊列。
  • handler：飽和策略。當隊列和線程池都滿了，說明線程池處於飽和狀態，那麼必須採取一種策略處理提交的新任務。這個策略預設情況下是 AbortPolicy，表示無法處理新任務時拋出異常。以下是 JDK1.5 提供的四種策略。
    • AbortPolicy：直接拋出異常。
    • CallerRunsPolicy：只用調用者所線上程來運行任務。
    • DiscardOldestPolicy：丟棄隊列里最近的一個任務，並執行當前任務。
    • DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。
    • 當然也可以根據應用場景需要來實現 RejectedExecutionHandler 介面自定義策略。如記錄日誌或持久化不能處理的任務。

重要方法

在 ThreadPoolExecutor 類中有幾個非常重要的方法：

  • execute() 方法實際上是 Executor 中聲明的方法，在 ThreadPoolExecutor 進行了具體的實現，這個方法是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通過這個方法可以向線程池提交一個任務，交由線程池去執行。
  • submit() 方法是在 ExecutorService 中聲明的方法，在 AbstractExecutorService 就已經有了具體的實現，在 ThreadPoolExecutor 中並沒有對其進行重寫，這個方法也是用來向線程池提交任務的，但是它和 execute()方法不同，它能夠返回任務執行的結果，去看 submit()方法的實現，會發現它實際上還是調用的 execute()方法，只不過它利用了 Future 來獲取任務執行結果（Future 相關內容將在下一篇講述）。
  • shutdown() 和 shutdownNow() 是用來關閉線程池的。

向線程池提交任務

我們可以使用 execute 提交任務，但是 execute 方法沒有返回值，所以無法判斷任務是否被線程池執行成功。

通過以下代碼可知 execute 方法輸入的任務是一個 Runnable 實例。

threadsPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
            }
        });

 

我們也可以使用 submit 方法來提交任務，它會返回一個 Future ，那麼我們可以通過這個 Future 來判斷任務是否執行成功。

通過 Future 的 get 方法來獲取返回值，get 方法會阻塞住直到任務完成。而使用 get(long timeout, TimeUnit unit) 方法則會阻塞一段時間後立即返回，這時有可能任務沒有執行完。

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
try {
     Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
    // 處理中斷異常
} catch (ExecutionException e) {
    // 處理無法執行任務異常
} finally {
    // 關閉線程池
    executor.shutdown();
}

 

線程池的關閉

我們可以通過調用線程池的 shutdown 或 shutdownNow 方法來關閉線程池，它們的原理是遍歷線程池中的工作線程，然後逐個調用線程的 interrupt 方法來中斷線程，所以無法響應中斷的任務可能永遠無法終止。但是它們存在一定的區別，shutdownNow 首先將線程池的狀態設置成 STOP，然後嘗試停止所有的正在執行或暫停任務的線程，並返回等待執行任務的列表，而 shutdown 只是將線程池的狀態設置成 SHUTDOWN 狀態，然後中斷所有沒有正在執行任務的線程。

只要調用了這兩個關閉方法的其中一個，isShutdown 方法就會返回 true。當所有的任務都已關閉後,才表示線程池關閉成功，這時調用 isTerminaed 方法會返回 true。至於我們應該調用哪一種方法來關閉線程池，應該由提交到線程池的任務特性決定，通常調用 shutdown 來關閉線程池，如果任務不一定要執行完，則可以調用 shutdownNow。

Executors

JDK 中提供了幾種具有代表性的線程池，這些線程池是基於 ThreadPoolExecutor 的定製化實現。

在實際使用線程池的場景中，我們往往不是直接使用 ThreadPoolExecutor ，而是使用 JDK 中提供的具有代表性的線程池實例。

newCachedThreadPool

創建一個可緩存線程池，如果線程池長度超過處理需要，可靈活回收空閑線程，若無可回收，則新建線程。

這種類型的線程池特點是：

  • 工作線程的創建數量幾乎沒有限制（其實也有限制的,數目為 Interger.MAX_VALUE）, 這樣可靈活的往線程池中添加線程。
  • 如果長時間沒有往線程池中提交任務，即如果工作線程空閑了指定的時間（預設為 1 分鐘），則該工作線程將自動終止。終止後，如果你又提交了新的任務，則線程池重新創建一個工作線程。
  • 在使用 CachedThreadPool 時，一定要註意控制任務的數量，否則，由於大量線程同時運行，很有會造成系統癱瘓。

示例：

public class CachedThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            try {
                Thread.sleep(index * 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            executorService.execute(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行，i = " + index));
        }
    }
}

 

newFixedThreadPool

創建一個指定工作線程數量的線程池。每當提交一個任務就創建一個工作線程，如果工作線程數量達到線程池初始的最大數，則將提交的任務存入到池隊列中。

FixedThreadPool 是一個典型且優秀的線程池，它具有線程池提高程式效率和節省創建線程時所耗的開銷的優點。但是，線上程池空閑時，即線程池中沒有可運行任務時，它不會釋放工作線程，還會占用一定的系統資源。

示例：

public class FixedThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行，i = " + index);
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

 

newSingleThreadExecutor

創建一個單線程化的 Executor，即只創建唯一的工作者線程來執行任務，它只會用唯一的工作線程來執行任務，保證所有任務按照指定順序(FIFO, LIFO, 優先順序)執行。如果這個線程異常結束，會有另一個取代它，保證順序執行。單工作線程最大的特點是可保證順序地執行各個任務，並且在任意給定的時間不會有多個線程是活動的。

示例：

public class SingleThreadExecutorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行，i = " + index);
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

 

newScheduleThreadPool

創建一個線程池，可以安排任務在給定延遲後運行，或定期執行。

public class ScheduledThreadPoolDemo {

    private static void delay() {
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        scheduledThreadPool.schedule(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 延遲 3 秒"), 3,
                TimeUnit.SECONDS);
    }

    private static void cycle() {
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(
                () -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 延遲 1 秒，每 3 秒執行一次"), 1, 3,
                TimeUnit.SECONDS);
    }

    public static void main(String[] args) {
        delay();
        cycle();
    }
}

 

源碼

線程池的具體實現原理，大致從以下幾個方面講解：

  1. 線程池狀態
  2. 任務的執行
  3. 線程池中的線程初始化
  4. 任務緩存隊列及排隊策略
  5. 任務拒絕策略
  6. 線程池的關閉
  7. 線程池容量的動態調整

線程池狀態

// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

 

runState 表示當前線程池的狀態，它是一個 volatile 變數用來保證線程之間的可見性；

下麵的幾個 static final 變數表示 runState 可能的幾個取值。

當創建線程池後，初始時，線程池處於 RUNNING 狀態；

RUNNING -> SHUTDOWN

如果調用了 shutdown()方法，則線程池處於 SHUTDOWN 狀態，此時線程池不能夠接受新的任務，它會等待所有任務執行完畢。

(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP

如果調用了 shutdownNow()方法，則線程池處於 STOP 狀態，此時線程池不能接受新的任務，並且會去嘗試終止正在執行的任務。

SHUTDOWN -> TIDYING

當線程池和隊列都為空時，則線程池處於 TIDYING 狀態。

STOP -> TIDYING

當線程池為空時，則線程池處於 TIDYING 狀態。

TIDYING -> TERMINATED

當 terminated() 回調方法完成時，線程池處於 TERMINATED 狀態。

任務的執行

任務執行的核心方法是 execute() 方法。執行步驟如下：

  1. 如果少於 corePoolSize 個線程正在運行，嘗試使用給定命令作為第一個任務啟動一個新線程。對 addWorker 的調用會自動檢查 runState 和 workerCount，從而防止在不應該的情況下添加線程。
  2. 如果任務排隊成功，仍然需要仔細檢查是否應該添加一個線程（因為現有的線程自上次檢查以來已經死亡）或者自從進入方法後，線程池就關閉了。所以我們重新檢查狀態，如果有必要的話，線上程池停止狀態時回滾隊列，如果沒有線程的話，就開始一個新的線程。
  3. 如果任務排隊失敗，那麼我們嘗試添加一個新的線程。如果失敗了，說明線程池已經關閉了，或者已經飽和了，所以拒絕這個任務。
public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();

    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

 

線程池中的線程初始化

預設情況下，創建線程池之後，線程池中是沒有線程的，需要提交任務之後才會創建線程。

在實際中如果需要線程池創建之後立即創建線程，可以通過以下兩個方法辦到：

prestartCoreThread()：初始化一個核心線程； prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心線程

public boolean prestartCoreThread() {
    return addIfUnderCorePoolSize(null); //註意傳進去的參數是null
}

public int prestartAllCoreThreads() {
    int n = 0;
    while (addIfUnderCorePoolSize(null))//註意傳進去的參數是null
        ++n;
    return n;
}

 

任務緩存隊列及排隊策略

在前面我們多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 的類型為 BlockingQueue，通常可以取下麵三種類型：

  1. ArrayBlockingQueue：基於數組的先進先出隊列，此隊列創建時必須指定大小；
  2. LinkedBlockingQueue：基於鏈表的先進先出隊列，如果創建時沒有指定此隊列大小，則預設為 Integer.MAX_VALUE；
  3. 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。

任務拒絕策略

當線程池的任務緩存隊列已滿並且線程池中的線程數目達到 maximumPoolSize，如果還有任務到來就會採取任務拒絕策略，通常有以下四種策略

  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丟棄任務並拋出 RejectedExecutionException 異常。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然後重新嘗試執行任務（重覆此過程）
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務

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()：不會立即終止線程池，而是要等所有任務緩存隊列中的任務都執行完後才終止，但再也不會接受新的任務
  • shutdownNow()：立即終止線程池，並嘗試打斷正在執行的任務，並且清空任務緩存隊列，返回尚未執行的任務

線程池容量的動態調整

ThreadPoolExecutor 提供了動態調整線程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和 setMaximumPoolSize()，

  • setCorePoolSize：設置核心池大小
  • setMaximumPoolSize：設置線程池最大能創建的線程數目大小

當上述參數從小變大時，ThreadPoolExecutor 進行線程賦值，還可能立即創建新的線程來執行任務。

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