Java并发——一文吃透线程池

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1. Executor框架介绍

1.1 任务的两级调度模型

应用程序通过Executor框架控制上层的调度

下层的调度有OS内核控制，不受应用程序控制

1.2 Executor架构结构

Executor架构分为三个部分

• 任务
• 任务的返回结果
• 执行任务

2. Future接口

用于控制任务的执行，获得异步任务的执行状态，执行结果

向线程池提交Callable任务，线程池会返回一个Future对象供我们查看异步任务的执行状态，执行结果

Future<String>future=executor.submit(new Callable<String>(){});
//上下等价
​
RunnableFuture<String>future=new FutureTask<String>(异步任务);
executor.execute(future);

3. ThreadPoolExecutor详解

3.1 线程池的状态

• 线程池有五种运行状态
  • RUNNING（运行）——可以接收新的任务并执行
  • SHUTDOWN（关闭）——不再接收新的任务，但是仍会处理已经提交的任务（包括线程正在执行的和处于阻塞队列中的）
  • STOP（停止）——不再接收新的任务，不会处理阻塞队列中的额任务，并且会中断正在执行的任务
  • TIDYING（整理）——所有的任务都已经终止，将线程池状态转换为TIDYING的线程会调用terminated()
  • TERMINATED（终止）——已经执行完毕terminated()，线程池终止
• 线程池维护了一个AtomicInteger变量来表示线程池所处的状态（该变量还可以表示线程池中的线程数）
• 线程池状态变化

3.2 手动创建线程池

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        //略
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

参数介绍

• corePoolSize：初始化ThreadPoolExecutor中的corePoolSize，指定核心线程的数量
• maximumPoolSize：初始化ThreadPoolExecutor中的maximunPoolSize，代表线程池中允许的最大线程数
• keepAliveTime：初始化ThreadPoolExecutor中的keepAliveTime，空闲线程允许存活的最大时间
• unit：keepAliveTime的单位
• workQueue：初始化ThreadPoolExecutor中的workQueue，任务队列
• threadFactory：初始化ThreadPoolExecutor中的threadFactory，线程工厂，用于创建线程
• handler：初始化ThreadPoolExecutor中的handler，拒绝策略 ThreadPoolExecutor内置4种拒绝策略
  • AbortPolicy：直接抛出异常。
  • CallerRunsPolicy：由提交任务的线程处理任务
  • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务，重新提交这个被拒绝的任务
  • DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。

3.3 execute()执行过程

过程](../p/execute()过程.png)

3.4 Woker和addWork()逻辑

• 线程池中，线程被封装为Worker
• thread：由线程池中的threadFactory创建
• firstTask：创建Worker的时，可以指定firstTask，如果firstTask不为null，那么线程优先执行firstTask

• 创建核心线程失败情况
  • 线程池的状态是STOP，TIDYING，TERMINATED
  • 线程池的状态是SHUTDOWN，并且传入了任务不是null（SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新的任务）
  • 当前线程数>=允许的核心线程数
• 创建非核心线程失败情况
  • 线程池的状态是STOP，TIDYING，TERMINATED
  • 线程池的状态是SHUTDOWN，并且传入了任务不是null（SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新的任务）
  • 当前线程数>=允许的最大线程数

3.5 Worker工作过程

• Woker执行的任务有2个来源
  1. Woker创建时指定的firstTask
  2. 从阻塞队列获取
• Woker分为阻塞 核心线程和 非核心线程——根据 当前线程数目是否<= corePoolSize来判断（所以对于同一个线程，某一时刻可以是核心线程，另一时刻可以是非核心线程）
• 默认情况下，核心线程会在阻塞队列永久阻塞获取，并且不会销毁，非核心线程只会在阻塞队列阻塞获取keepAliveTime的时间，超过了会进行销毁 但是如果线程池设置了 allowCoreThreadTimeOut，那么核心线程的待遇就跟非核心线程一样了

3.6 关闭线程池

3.6.0 尝试销毁线程池——tryTerminate()

尝试将线程池的状态更改为 TERMINATED，只有以下2种情况才能成功

• 线程池状态为 SHUTDOWN，线程池中没有线程，并且阻塞队列为空
• 线程池为 STOP，线程池中没有线程

3.6.1 缓慢关闭线程池——shutdown()

1. 确保调用者有权限访问线程池中的线程
2. 将线程池的状态修改为 SHUTDOWN
3. 对线程池中的所有线程调用其interrupt()传递中断信号
4. 调用tryTerminal()尝试销毁线程池

第4步大部分情况都不会成功
线程池状态变为SHUTDOWN后，线程池不会再接受新的任务，但已经接受的任务仍会继续执行，当所有任务执行完后，线程检测到线程池状态为SHUTDOWN并且任务队列空了，那么线程会执行退出操作——在退出操作中，每个线程都会执行一次 tryTerminal()，最后一个退出的线程可以成功销毁线程池

3.6.2 快速关闭线程池——shutdownNow()

1. 确保调用者有权限访问线程池中的线程
2. 将线程池的状态修改为 STOP
3. 对线程池中的所有线程调用其interrupt()传递中断信号
4. 移出任务队列中所有未执行的任务
5. 调用tryTerminal()尝试销毁线程池

shutdownNow()移除任务队列中所有未执行的任务，从而实现快速关闭线程池

3.7 预热方法

3.7.1 prestartCoreThread

在线程池中预先创建一个线程

3.7.2 prestartAllCoreThreads

在线程池中创建所有的核心线程

3.8 面试题

3.8.1 如何理解keepAliveTime

如果线程池中的线程数目>corePoolSize，那么多余的线程一旦空闲超过keepAliveTime，就会销毁线程，直到线程数目==corePoolSize

3.8.2 为什么任务先放在任务队列中，而不是直接把线程数目拉到最大

我的个人理解

我认为线程池的本意是让核心数量的线程工作着，任务队列起到一个缓冲的作用，最大线程数目这个参数更像是无奈之举，在任务非常多的情况下做最后的努力，去新建线程来帮助处理任务

原生的线程池偏向于 CPU密集型，任务过多时不是创建更多的线程，而是先缓存任务，让核心线程去处理

而像Tomcat这种业务场景，是 IO密集型，原生的线程池并不合适，需要定制（Tomcat的线程池就是定制的）

4. ScheduledThreadPoolExecutor

• 继承自ThreadPoolExecutor，用于在给定的延迟后执行任务or执行定时任务
• 任务队列默认是用 DelayWorkQueue
• 提交任务后，任务封装为ScheduledFutureTask后，直接进入任务队列，然后由线程从任务队列任务队列中获取ScheduledFutureTask执行

4.1 任务类图

4.2 任务提交

ScheduledThreadPoolExecutor中

schedule()，scheduleAtFixedRate()，scheduleWithFixedDelay()，submit(),execute()的逻辑基本相同

接下来以schedule()为例进行讲解

ScheduledThreadPool中，任务封装为ScheduledFutureTask后，直接进入任务队列，然后由线程从任务队列中获取ScheduledFutureTask执行

4.3 任务的执行

• DelayWorkQueue和ScheduledFutureTask的结构

• 任务任务执行的步骤

5. FutureTask

1. FutureTask可以由调用线程直接执行(FutureTask.run())（这种方式不会创建新的线程），也可以提交给线程池执行
2. FutureTask跟Future一样，可以控制任务的执行状态，获得任务的执行结果

5.1 FutureTask状态迁移图