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Java线程池

时间:2020-07-01 09:30:08      阅读:59      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:获取   exce   否则插入   deque   长度   repo   stack   排序   handler   

Java线程池

基本概念

特点:

  • 管理线程,避免增加和销毁线程的资源消耗。
  • 提高响应速度。任务到达无需等待线程创建即可立即执行。
  • 重复利用。
  • 避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题。
  • 提供更多功能。可以添加更多功能,如延时定时线程池等。

线程池核心设计与实现

  • 线程池的实现类为ThreadPoolExecutor
  • 顶层接口为Executor:将任务提交和任务执行进行解耦。(用户只需提供Runnable对象,由Executor完成线程的调度和任务的执行)
  • ExecutorService:增加了为一批异步任务生成Future的方法。提供线程管控的能力(停止线程池的运行)
  • AbstractExecutorService:上层的抽象类,将执行任务的流程串联起来,下层只要执行一个方法。
  • ThreadPoolExecutor:管理线程和任务。

线程池运行机制

  • 线程池的运行由两部分组成:
    • 任务管理(生产者)
    • 线程管理(消费者)
  • 任务被提交后,有三种处理:
    • 直接申请线程执行该任务
    • 缓冲到队列中等待线程执行
    • 拒绝该任务
  • 线程管理:
    • 根据任务请求进行线程的分配
    • 线程执行完任务后获取新任务去执行
    • 线程获取不到任务时,会被回收

生命周期管理

  • 线程池的运行状态由两个变量组成:
    • runState(运行状态)
    • workerCount(线程数量)
  • 使用一个AtomicInteger变量ctl对两个变量一起维护:private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
  • ctl的高3位保存runState,低29位保存workerCount

任务执行机制

任务调度

  • 提交的任务如何执行是由任务调度决定的。
  • 是由任务的调度是由execute()方法完成。

流程:

  1. 检查线程池运行状态。若不是RUNNING,则直接拒绝。
  2. workerCount<corePoolSize,则创建并启动一个线程并执行新提交的任务。
  3. workerCount>=corePoolSize,且线程池的阻塞队列未满,则任务添加到阻塞队列中。
  4. workerCount>=corePoolSize并且worker<maximumPoolSize,则线程池的阻塞队列已满,创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
  5. workerCount>=maximumPoolSize,并且线程池内的阻塞队列已满,则根据拒绝策略来处理该任务。(默认抛出异常)

任务调度流程:
技术图片

任务缓冲

  • 线程池目的是:将任务和线程两者解耦。
  • 实现的手段是使用生产者消费者模式,通过阻塞队列实现的。
  • 阻塞队列缓存任务,工作线程从阻塞队列中获取任务。

阻塞队列(Blocking Queue):

  • 队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。
  • 队列满时,存入任务的线程会等待队列可用。
  • 阻塞队列是存放任务的容器,线程只能从容器中取出任务。

阻塞队列:
技术图片

常见的阻塞队列:

名称 描述
ArrayBlockingQueue 一个用数组实现的有界阻塞队列,按照FIFO对任务排序,支持公平锁和非公平锁
LinkedBlockingQueue 基于链表结构的阻塞队列,按照FIFO排序任务.可以设置容量,不设置时为无界阻塞队列,最大长度为Integer.MAX_VALUE,newFixedThreadPool使用该队列.
DelayQueue 延迟获取的无界队列,指定多久才能从队列中获取当前元素,只有延时期后才能从队列中获取元素,newScheduledThreadPool线程池使用该队列.
PriorityBlockingQueue 支持线程优先级的无界队列,默认自然序排列,可自定义实现compareTo()方法指定元素的排序规则,不保证同一优先级的先后顺序
SynchronousQueue 不存储元素的阻塞队列,每个插入操作必须等到另外一个线程调用移出操作,否则插入操作处于阻塞状态。支持公平锁和非公平锁。newCachedThreadPool线程池使用该队列,新任务到来时创建线程,有空闲线程则重复使用,线程空闲60秒会被回收。
LinkedTransferQueue 链表结构组成的无界阻塞队列,额外有transfer()tryTransfer()方法
LinkedBlockingDeque 链表结构组成的双向阻塞队列,队列的头尾均可添加和移出元素,可减低锁的竞争

任务申请

两种任务执行方式:

  • 任务直接由新创建的线程执行
  • 线程从任务队列中获取任务执行(主要)

tryTask()方法实现线程从阻塞队列中获取任务:

  1. 获取线程池状态及线程数量
  2. 线程池是否停止,若停止,则返回null(线程空闲)
  3. 若没有停止,则检查线程数是否过多。若过多,则返回null。
  4. 若没有过多,则检查该线程是否为可回收线程,若是,则限时获取任务。
  5. 若否,则阻塞获取任务。
  6. 任务申请完成。

技术图片

任务拒绝

当线程池的任务缓存队列已满,并且线程池中的线程数达到最大值时,需要拒绝新提交的任务。

可用实现接口RejectExecutionHadler来定制拒绝策略,或者使用四种已有策略:

技术图片


线程的管理

Worker线程

为了管理线程的状态并维护线程的生命周期,设计工作线程Worker

final Thread thread; // 当前Worker持有的线程
Runnable firstTask; // 初始化线程的任务(可为null)
volatile long completedTasks; // 完成的任务数

Worker执行任务的模型:
技术图片

注:

  • firstTask为null,则线程启动时执行任务队列中的任务。若不为null,则执行firstTask这个任务。
  • 线程池使用Hash表持有线程的引用。通过添加引用,删除引用控制线程的生命周期。
  • Worker通过继承AQS实现独占锁。没有使用ReentrantLock,为了表示不可重入特定反应形成现在的执行状态。

线程的状态:

  • lock方法获取独占锁后,当前线程正在执行任务。
  • 正在执行任务,不应该中断线程。
  • 若线程非独占锁状态,则没有处理任务,可以对线程进行中断。
  • 线程池执行shutdown()方法或tryTerminate()方法时调用interruptIdleWorkers()方法中断空闲线程。从而调用tryLock()判断线程池中是否有空闲线程。若是空闲的,则可以回收。

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Worker线程增加

  • 通过调用addWorker()方法增加线程.
  • 有两个参数:
    • firstTaks:新增线程执行的第一个任务(可为null)
    • core:true:判断当前活动线程数是否少于corePoolSize;false:判断当前活动线程数是否小于maximumPoolSize.

新增线程流程:
技术图片

Worker线程回收

  • 线程的回收依赖于JVM自动回收.
  • 线程池根据当前线程池的状态维护线程引用,防止线程被JVM回收.
  • 当决定回收指定线程时,只需将其引用消除.
  • 核心线程可以无限等待获取任务,非核心线程限时获取任务.
  • 当Worker无法获取到任务时,循环结束,Worker主动消除自身在线程池的引用.

线程的销毁:
技术图片

Worker线程执行任务

  • Worker中的run()方法会调用runWorker()方法.
  • 流程:
    1. 不断循环通过getTask()方法从阻塞队列中获取任务.
    2. 若线程池正在停止,则保证当前线程时中断状态,否则保证当前线程不是中断状态.
    3. 执行任务.
    4. getTask()结果为null,则跳出循环,执行processWorkerExit()方法,销毁线程.

执行任务流程:
技术图片

线程池的创建

可以通过ThreadPoolExecutor来创建。

构造函数:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue)

参数:

  • corePoolSize:线程池核心线程数最大值
  • maximumPoolSize:线程池最大线程数大小
  • keepAliveTime:线程池非核心线程空闲的存活时间大小
  • unit:线程空闲存活时间单位
  • workQueue:存放任务的阻塞队列
  • threadFactory:用于设置创建线程的工厂。
  • handler:线程池饱和策略事件。

任务执行

线程池执行流程(对应于execute()方法)

  1. 提交一个任务,线程池里存活的核心线程数小于corePoolSie时,线程池创建一个核心线程处理提交的任务。
  2. 若线程池核心线程数已满(线程数等于corePoolSie),新提交的任务被放在任务队列workQueue排队等待执行。
  3. 当线程池里面的存活线程数达到corePoolSize时,并且任务队列workQueue已满,则判断是否到达maximumPoolSize(即是否达到最大线程数)。若没有,则创建非核心线程执行提交的任务。
  4. 若线程数达到maxmumPoolSize时,新的任务采用拒绝策略处理。

技术图片

四种拒绝策略

  • AbortPolicy:抛出异常(默认)
  • DiscardPolicy:抛弃任务,无异常。
  • DiscardOldsPolicy:抛弃队列中最老的任务,将当前任务提交给线程池。
  • CallerRunsPolicy:交给线程池调用所在的线程处理。

线程池的异常处理

  • 使用try catch捕获异常.
  • 通过Future对象的get()方法接收抛出的异常,再处理.
  • 为工作者线程设置UncaughtExceptionHandler,在UncaughtExceptionHandler方法中处理异常.

示例:

// 1. 通过try...catch捕获异常
try {
    System.out.println(3/0);
} catch (Exception e){
    System.out.println(e.getMessage());
}

// 2. sumbit执行,Future.get接收异常
Future<?> future = threadPool.submit(() -> {
    System.out.println(3 / 0); // 产生异常
});

try {
    future.get(); // 接收异常
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

// 3. 设置Thread.UncaughtExceptionHandler处理未检测的异常
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1, r -> {
    Thread t = new Thread(r);
    t.setUncaughtExceptionHandler((t1, e) -> {
        System.out.println(t1.getName() + " 抛出异常 " + e);
    });
    return t;
});

// 4. 重写ThreadPoolExecutor.afterExecute方法,处理传递的异常引用
class ExtendExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    public ExtendExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
    }

    @Override
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        super.afterExecute(r, t);
        if (t == null && r instanceof Future<?>){
            try {
                Object result = ((Future<?>) r).get();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        if (t != null)
            System.out.println(t);
    }
}

常用的线程池

  • newFixedThreadPool:固定数目线程的线程池
  • newCachedThreadPool:可缓存线程的线程池
  • newSingleThreadExecutor:单线程的线程池
  • newScheduledThreadPool:定时及周期执行的线程池

newFixedThreadPool

特点:

  • 核心线程和最大线程数大小一致
  • 没有空闲时间,keepAliveTime为0
  • 阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

工作机制:

  1. 任务被提交.
  2. 检查线程池中线程数是否小于coreSize.若小于,则创建核心线程执行任务.
  3. 若不小于,则将任务加入阻塞队列,等待被取出执行.
  4. 若队列容量一直增加,可能导致OOM.

异常:
使用无界队列可能导致内存飙升.
若一个线程获取任务后,任务的执行时间比较长,导致队列的任务堆积过多,内存不足后抛出OOM.

使用场景:
适用于CPU密集型任务,确保CPU被工作线程使用的情况下,尽可能少的分配线程,适用与执行长期任务.

newCachedThreadPool

特点:

  • 核心线程数为0
  • 最大线程数为Integer.MAX_VALUE
  • 阻塞队列是SynchronousQueue
  • 非核心线程空闲存活时间为60秒

提交的任务速度大于处理任务的速度时,每次提交一个任务,就会创建一个线程.
空闲60秒的线程会被终止,长时间保持空闲的CachedThreadPool不会占用资源.

工作机制:

  1. 提交任务.
  2. 若没有核心线程,则任务直接加到SynchronousQueue队列.
  3. 判断是否有空闲线程,若有,则取出任务执行.
  4. 若没有,则新建一个线程执行.
  5. 执行完任务的线程,还可以存活60秒.若存活期间接收到任务,可以继续存活;否则被销毁.

使用场景:
并发执行大量短期的小任务.

newSingleThreadExecutor

特点:

  • 核心线程数为1
  • 最大线程数为1
  • 阻塞队列为LinkedBlockingQueue
  • keepAliveTime为0

工作机制:

  1. 提交任务.
  2. 线程池是否有一个线程,若没有,则新建线程执行.
  3. 若有,则将任务加到阻塞队列.
  4. 唯一的线程执行完一个任务后,再从队列中取出任务.

使用场景:
串行执行任务的场景,一个任务接着一个任务地执行.

newScheduledThreadPool

特点:

  • 最大线程数为Integer.MAX_VALUE
  • 阻塞队列是DelayedWorkQueue
  • keepAliveTime为0
  • scheduleAtFixedRate():以某种速率周期性执行
  • scheduleWithFixedDelay():在某个延迟后执行

工作机制:

  1. 添加一个任务.
  2. 线程池中的线程从DelayQueue中取任务.
  3. 线程从DelayQueue中获取time大于等于当前时间的任务.
  4. 执行完后修改这个任务的time为下次被执行的时间.
  5. 将该任务放回DelayQueue队列中.

使用场景:
周期性执行任务的场景,需要限制线程数量的场景.


线程池状态

  • RUNNING
  • SHUTDOWN
  • STOP
  • TIDYING
  • TERMINATED
运行状态 描述
RUNNING 能够接受新提交的任务,也能处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN 关闭状态。不再接受新提交的任务,但可以继续处理阻塞队列中保存的任务
STOP 不能接受新任务,不处理队列中的任务,会中断正在处理任务的线程
TIDYING 所有任务都已终止,workCount为0
TERMINATED terminated()执行完后进入该状态

线程池生命周期:
技术图片

参考:

Java线程池

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原文地址:https://www.cnblogs.com/truestoriesavici01/p/13217341.html

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