Java 线程池原理和队列详解
转载请标明出处:http://blog.csdn.net/xx326664162/article/details/51701508 文章出自:薛瑄的博客
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线程池的框架图:
一、ThreadPoolExecutor线程池实现类
ThreadPoolExecutor是线程池的核心类。首先看一下如何创建一个ThreadPoolExecutor。下面是ThreadPoolExecutor常用的一个构造方法:
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)
看一下这个类中定义的重要变量,如下:
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 阻塞队列
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); // 互斥锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();// 线程集合.一个Worker对应一个线程
private final Condition termination = mainLock.newCondition();// 终止条件
private int largestPoolSize; // 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。
private long completedTaskCount; // 已完成任务数量
private volatile ThreadFactory threadFactory; // ThreadFactory对象,用于创建线程。
private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒绝策略的处理句柄
private volatile long keepAliveTime; // 线程池维护线程所允许的空闲时间
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
private volatile int corePoolSize; // 线程池维护线程的最小数量,哪怕是空闲的
private volatile int maximumPoolSize; // 线程池维护的最大线程数量
其中有几个重要的规则需要说明一下:
1、 corePoolSize、workQueue 、maximumPoolSize的关系
1、线程池刚创建时,里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过,就算队列里面有任务,线程池也不会马上执行它们。
2、当调用 execute() 方法添加一个任务时,线程池会做如下判断:
a. 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize,那么马上创建线程运行这个任务;
b. 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize,那么将这个任务放入队列。
c. 如果这时候队列满了,而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize,那么还是要创建线程运行这个任务;
d. 如果队列满了,而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize,那么线程池会抛出异常,告诉调用者“我不能再接受任务了”。
3、当一个线程完成任务时,它会从队列中取下一个任务来执行。
4、当一个线程无事可做,超过一定的时间(keepAliveTime)时,线程池会判断,如果当前运行的线程数大于 corePoolSize,那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后,它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。
这样的过程说明,并不是先加入任务就一定会先执行。假设队列大小为 10,corePoolSize 为 3,maximumPoolSize 为 6,那么当加入 20 个任务时,执行的顺序就是这样的:首先执行任务 1、2、3,然后任务 4~13 被放入队列。这时候队列满了,任务 14、15、16 会被马上执行,而任务 17~20 则会抛出异常。最终顺序是:1、2、3、14、15、16、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。下面是一个线程池使用的例子:
2、workQueue 线程池所使用的缓冲队列
该缓冲队列的长度决定了能够缓冲的最大数量,缓冲队列有三种通用策略:
1、 直接提交。
工作队列的默认选项是 SynchronousQueue,它将任务直接提交给线程而不保持它们。
在此,如果不存在可用于立即运行任务的线程,则把任务加入队列将失败,因此会构造一个新的线程。
此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
2、 无界队列
使用无界队列(例如,不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue)将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时,新任务将在队列中等待。这样,创建的线程数量就不会超过 corePoolSize。(因此,maximumPoolSize 的值也就无效了。)
当每个任务完全独立于其他任务,即任务执行互不影响时,适合于使用无界队列;例如,在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求,当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性;
3、 有界队列
当使用有限的 maximumPoolSizes 时,有界队列(如 ArrayBlockingQueue)有助于防止资源耗尽,但是可能较难调整和控制。
队列大小和最大池大小可能需要相互折衷:使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销,但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞(例如,如果它们是 I/O 边界),则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小,CPU 使用率较高,但是可能遇到不可接受的调度开销,这样也会降低吞吐量.
举例:
例子一:使用直接提交策略,也即SynchronousQueue。
首先SynchronousQueue是无界的,也就是说他存储任务的能力是没有限制的,但是由于该Queue本身的特性,在某次添加元素后必须等待其他线程取走后才能继续添加。在这里不是核心线程便是新创建的线程,但是我们试想一样下,下面的场景。
我们使用以下参数构造ThreadPoolExecutor:
new ThreadPoolExecutor( 2, 3, 30, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), new RecorderThreadFactory("CookieRecorderPool"), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
假设当前核心线程已经有2个正在运行.
此时来了一个任务(A),根据前面介绍的“如果运行的线程等于或多于 corePoolSize,则 Executor 始终首选将请求加入队列,而不添加新的线程。”,所以A被添加到queue中。
又来了一个任务(B),且核心2个线程还没有忙完。接下来首先尝试1中描述,但是由于使用的SynchronousQueue,所以一定无法加入进去。
此时便满足了上面提到的“如果无法将请求加入队列,则创建新的线程”,所以必然会新建一个线程来运行这个任务。
但是如果这三个任务都还没完成,继续来了一个任务,queue中无法插入(任务A还在queue中),而线程数达到了maximumPoolSize,所以只好执行异常策略了。
为了避免这种情况:,所以在使用SynchronousQueue通常要求maximumPoolSize是无界的(如果希望限制就直接使用有界队列)。对于使用SynchronousQueue的作用jdk中写的很清楚:此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。
如果你的任务A1,A2有内部关联,A1需要先运行,那么先提交A1,再提交A2,当使用SynchronousQueue我们可以保证,A1必定先被执行,在A1么有被执行前,A2不可能添加入queue中
例子二:使用无界队列策略,即LinkedBlockingQueue
拿newFixedThreadPool来说,根据前文提到的规则:
- 如果运行的线程少于 corePoolSize,则 Executor 始终首选添加新的线程,而不进行排队。
那么当任务继续增加,会发生什么呢?
- 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize,则 Executor 始终首选将请求加入队列,而不添加新的线程。
OK,此时任务变加入队列之中了,那什么时候才会添加新线程呢?
- 如果无法将请求加入队列,则创建新的线程,除非创建此线程超出 maximumPoolSize,在这种情况下,任务将被拒绝。
无界队列不会出现无法加入队列的情况。不像SynchronousQueue那样有其自身的特点,对于无界队列来说,总是可以加入的(资源耗尽,当然另当别论)。
换句说,永远也不会触发产生新的线程!线程数一直都是corePoolSize大小。忙完当前的线程,就从队列中拿任务开始运行。如果任务运行的时长比较长,而添加任务的速度远远超过处理任务的速度,任务队列就会疯长,任务内存很快就会爆掉
例子三:有界队列,使用ArrayBlockingQueue。
这个是最为复杂的使用,所以JDK不推荐使用也有些道理。与上面的相比,最大的特点便是可以防止资源耗尽的情况发生。
举例来说,请看如下构造方法:
new ThreadPoolExecutor( 2, 4, 30, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(2), new RecorderThreadFactory("CookieRecorderPool"), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
假设,所有的任务都永远无法执行完。
- 首先来的A,B直接运行
- 如果来了C,D,他们会被放到queue中
- 如果接下来再来E,F,则增加线程运行E,F。最大线程数是4
- 但是如果再来任务,队列无法再接受了,线程数也到达最大的限制了,所以就会使用拒绝策略来处理。
3、ThreadFactory
使用 ThreadFactory 创建新线程。如果没有另外说明,则在同一个 ThreadGroup 中一律使用 Executors.defaultThreadFactory() 创建线程,并且这些线程具有相同的 NORM_PRIORITY 优先级和非守护进程状态。
通过提供不同的 ThreadFactory,可以改变线程的名称、线程组、优先级、守护进程状态等等。如果从 newThread 返回 null 时 ThreadFactory 未能创建线程,则执行程序将继续运行,但不能执行任何任务。
public interface ThreadFactory { Thread newThread(Runnable r);
}
而构造方法中的threadFactory对象,是通过 Executors.defaultThreadFactory()返回的。Executors.java中的defaultThreadFactory()源码如下:
public static ThreadFactory defaultThreadFactory() { return new DefaultThreadFactory(); }
在DefaultThreadFactory类中实现了ThreadFactory接口并对其中定义的方法进行了实现,如下:
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-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-"; } // 为线程池创建新的任务执行线程 public Thread newThread(Runnable r) { // 线程对应的任务是Runnable对象r Thread t = new Thread(group, r,namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(), 0); // 设为非守护线程 if (t.isDaemon()) t.setDaemon(false); // 将优先级设为Thread.NORM_PRIORITY if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY) t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY); return t; }
}
4、RejectedExecutionHandler
当Executor已经关闭(即执行了executorService.shutdown()方法后),并且Executor将有限边界用于最大线程和工作队列容量,且已经饱和时,在方法execute()中提交的新任务将被拒绝.
在以上述情况下,execute 方法将调用其 RejectedExecutionHandler 的 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution(java.lang.Runnable, java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor) 方法。下面提供了四种预定义的处理程序策略:
在默认的 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 处理程序遭到拒绝将抛出运行时 RejectedExecutionException;
在 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy线程调用运行该任务的 execute 本身。此策略提供简单的反馈控制机制,能够减缓新任务的提交速度
在 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 不能执行的任务将被删除;
在 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 如果执行程序尚未关闭,则位于工作队列头部的任务将被删除,然后重试执行程序(如果再次失败,则重复此过程)。
线程池默认会采用的是defaultHandler策略。首先看defaultHandler的定义:
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy(); // 使用默认的拒绝策略
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler { public AbortPolicy() { } // 抛出异常 public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString()); }
}
看一下其他拒绝策略的具体实现。
class MyRunnable implements Runnable { private String name; public MyRunnable(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { try { System.out.println(this.name + " is running."); Thread.sleep(100); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }
}
举例:
如上是一个测试任务的例子,下面编写4个测试用例来测试。
1. DiscardPolicy 示例
public class DiscardPolicyDemo { private static final int THREADS_SIZE = 1; private static final int CAPACITY = 1; public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。 ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY)); // 设置线程池的拒绝策略为"丢弃" pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()); // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。 for (int i = 0; i < 10; i++) { Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i); pool.execute(myrun); } // 关闭线程池 pool.shutdown(); }
}
线程池pool的”最大池大小”和”核心池大小”都为1(THREADS_SIZE),这意味着”线程池能同时运行的任务数量最大只能是1”。
线程池pool的阻塞队列是ArrayBlockingQueue,ArrayBlockingQueue是一个有界的阻塞队列,ArrayBlockingQueue的容量为1。这也意味着线程池的阻塞队列只能有一个线程池阻塞等待。
根据”“中分析的execute()代码可知:线程池中共运行了2个任务。第1个任务直接放到Worker中,通过线程去执行;第2个任务放到阻塞队列中等待。其他的任务都被丢弃了!
2. DiscardOldestPolicy 示例
public class DiscardOldestPolicyDemo { private static final int THREADS_SIZE = 1; private static final int CAPACITY = 1; public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。 ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY)); // 设置线程池的拒绝策略为"DiscardOldestPolicy" pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()); // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。 for (int i = 0; i < 10; i++) { Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i); pool.execute(myrun); } // 关闭线程池 pool.shutdown(); }
}
运行结果:
task-0 is running.
task-9 is running.
将”线程池的拒绝策略”由DiscardPolicy修改为DiscardOldestPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,线程池会丢弃阻塞队列中末尾的任务,然后将被拒绝的任务添加到末尾。
3. AbortPolicy 示例
public class AbortPolicyDemo { private static final int THREADS_SIZE = 1; private static final int CAPACITY = 1; public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。 ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY)); // 设置线程池的拒绝策略为"抛出异常" pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); try { // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。 for (int i = 0; i < 10; i++) { Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i); pool.execute(myrun); } } catch (RejectedExecutionException e) { e.printStackTrace(); // 关闭线程池 pool.shutdown(); } }
}
(某一次)运行结果:
java.util.concurrent.RejectedExecutionExceptionat java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$AbortPolicy.rejectedExecution(ThreadPoolExecutor.java:1774)at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.reject(ThreadPoolExecutor.java:768)at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:656)at AbortPolicyDemo.main(AbortPolicyDemo.java:27)
task-0 is running.
task-1 is running.
将”线程池的拒绝策略”由DiscardPolicy修改为AbortPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,会抛出RejectedExecutionException。
4. CallerRunsPolicy 示例
public class CallerRunsPolicyDemo { private static final int THREADS_SIZE = 1; private static final int CAPACITY = 1; public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE),"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。 ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY)); // 设置线程池的拒绝策略为"CallerRunsPolicy" pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); // 新建10个任务,并将它们添加到线程池中。 for (int i = 0; i < 10; i++) { Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i); pool.execute(myrun); } // 关闭线程池 pool.shutdown(); }
}
(某一次)运行结果:
task-2 is running.
task-3 is running.
task-4 is running.
task-5 is running.
task-6 is running.
task-7 is running.
task-8 is running.
task-9 is running.
task-0 is running.
task-1 is running.
将”线程池的拒绝策略”由DiscardPolicy修改为CallerRunsPolicy之后,当有任务添加到线程池被拒绝时,线程池会将被拒绝的任务添加到”线程池正在运行的线程”中取运行。
二、Executor任务提交接口
Executor框架同java.util.concurrent.Executor 接口在Java 5中被引入。Executor框架是一个根据一组执行策略调用,调度,执行和控制的异步任务的框架。Executor存在的目的是提供一种将“任务提交”与”任务如何运行”分离开来的机制。定义如下:
public interface Executor { void execute(Runnable command);
}
虽然只有一个方法,但是却为灵活且强大的异步任务执行框架提供了基础。它提供了一种标准的方法将任务的提交过程与执行过程解耦开来,并用Runnable来表示任务。
三、ExecutorService任务周期管理接口
Executor的实现通常都会创建线程来执行任务,但是使用异步方式来执行任务时,由于之前提交任务的状态不是立即可见的,所以如果要关闭应用程序时,就需要将受影响的任务状态反馈给应用程序。
为了解决线程的生命周期问题,EecutorService扩展了Eecutor接口,添加了一些用于生命周期管理的方法。如下:
public interface ExecutorService extends Executor { void shutdown(); List<Runnable> shutdownNow(); boolean isShutdown(); boolean isTerminated(); boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 省略部分方法
}
四、Executors工具类
那么我们怎么得到Executor对象呢?这就是接下来要介绍的Exectors类了。
Executors为创建Executor,ExecutorService,ScheduledExecutorService,ThreadFactory和Callable类提供了一些方法,类似于集合中的Collections类的功能。
下面是Exectors类的一些方法,用于创建线程池:
1、newCachedThreadPool
它是一种线程数量不定的线程池,并只有非核心线程。
该线程池比较适合没有固定大小并且比较快速就能完成的小任务,它将为每个任务创建一个线程。
那这样子它与直接创建线程对象(new Thread())有什么区别呢?看到它的第三个参数60L和第四个参数TimeUnit.SECONDS了吗?好处就在于60秒内能够重用已创建的线程。超过60s的闲置线程就会被回收。
Integer.MAX_VALUE 是一个非常大的数,实际上就相当于最大线程数可以任意大
下面是Executors中的newCachedThreadPool()的源代码:
public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); }
2、 newFixedThreadPool
它是一种线程数量固定的线程池,如果提交的任务数量大于限制的最大线程数,那么这些任务将排队,当有一个线程的任务结束之后,将会根据调度策略继续等待执行下一个任务。
下面是Executors中的newFixedThreadPool()的源代码:
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); }
3、newSingleThreadExecutor
线程数量为1的FixedThreadPool,如果提交了多个任务,那么这些任务将会排队,每个任务都会在下一个任务开始之前运行结束,所有的任务将会使用相同的线程。下面是Executors中的newSingleThreadExecutor()的源代码:
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); }
通过上面创建线程池的源代码,我们可以发现:
1> 除了CachedThreadPool使用的是直接提交策略的缓冲队列,FixedThreadPool和SingleThreadExecutor采用的都是无界缓冲队列,创建的线程数量不会超过 corePoolSize。
2> 三个线程池采用的ThreadPoolExecutor构造方法都是同一个,使用的都是默认的ThreadFactory和handler:
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy(); public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
也就说三个线程池创建的线程对象都是同组,优先权等级为正常的Thread.NORM_PRIORITY(5)的非守护线程,使用的被拒绝任务处理方式是直接抛出异常的AbortPolicy策略(前面有介绍)。
4、newScheduledThreadPool
核心线程数是固定的,
非核心线程数是没有限制的,并且当非核心线程闲置时,会被立即回收
主要用于执行定时任务和具有固定周期的重复任务
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,new DelayedWorkQueue());}
参考:
http://blog.csdn.net/mazhimazh/article/details/19243889
http://shift-alt-ctrl.iteye.com/blog/1840385
http://dongxuan.iteye.com/blog/901689
http://blog.csdn.net/sd0902/article/details/8395677
http://shift-alt-ctrl.iteye.com/blog/1840385
Java线程池详解:ThreadPoolExecutor、Executors
引用 Java自带的线程池ThreadPoolExecutor详细介绍说明和实例应用
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