Java并发编程系列之一:Java线程池ThreadPoolExecutor分析

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从今天开始,每周都会花点时间写一点技术博客,也算是对自己一周学习的一个沉淀。之前的CSDN账号丢失了,现在重新注册了账号。本文主要讨论Java线程池,阿里巴巴Java开发手册中推荐使用ThreadPoolExcutor来构建线程池,同时建议不要随意创建野线程。所谓野线程就是没有进行统一管理的多线程类,这样的多线程类不利于进行统一的管理,在实际的项目中如果对于创建的线程没有进行有效管控,很可能造成线程无法关闭、内存溢出等一系列问题。本文将从以下几个方面对Java线程池进行阐述:

  • Java线程池的概念
  • ThreadPoolExcutor介绍
  • 相关源码分析
  • 总结

1.什么是线程池 随着CPU硬件技术的发展,PC逐渐从单核时代走向多核时代发展。多核CPU使得任务执行可以并行处理,这样可以大大提高任务执行的效率。当任务到达时,创建线程执行任务,当任务执行完毕之后,关闭线程。当并发任务量大的时候,就会不断进行线程的创建以及关闭,这些操作实际上对系统资源的消耗产生很大的影响。同时如果线程太多,可能会使得这些活动的线程同样也会消耗系统资源,因为系统资源会被创建线程、线程切换状态、线程销毁所占用。 所谓线程池就是线程创建并完成任务后并不立即销毁该线程,而是将线程放入线程池当中,等到下一个任务到达时,则使用线程池中已经创建的线程完成任务的执行。 线程池的优点: a.对线程资源进行统一的管理; b.显示地指明了线程池的管理策略,方便开发人员了解; 开发手册中也同时写道,在使用线程池管理线程时不允许使用Executors来进行创建,弊端如下所示: a.FixedThreadPool以及SingleThreadPool中允许的请求队列长度为Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量线程任务,导致内存溢出; b.CachedThreadPool和ScheduledThreadPool允许的创建线程数量为Integer.MAX_VALUE,可能会创建大量的线程造成内存溢出。 2.ThreadPoolExecutor介绍

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
    ...
}

由以上代码可知,ThreadPoolExcutor总共有四个构造函数,其中前三个构造函数都是调用了最后一个构造函数的实现。 各个参数代表的含义: (1)coolPoolSize:常驻核心线程数。 (2)maximumPoolSize:线程池维护最大线程数。 (3)keepAliveTime:线程池维护线程允许的空闲时间。 (4)unit:空闲时间单位。 (5)workQueue:线程池使用的任务缓冲队列。 (6)threadFactory:线程工厂,用于创建线程。 (7)handler:当线程任务达到队列上限时的线程池任务拒绝策略。

下面说明下ThreadPoolExecutor线程池的工作流程,当线程任务进入线程池时,它是通过execute()方法向线程池提交一个线程任务,其中提交的为Runnable对象。 当线程任务被提交到线程池后,当前线程池中的线程数量小于coolPoolSize时,即便线程池中的线程处于空闲状态,线程池也会创建新的线程来执行提交到线程池的任务。 当线程池中的线程数量达到coolPoolSize时,同时缓冲队列尚有空余的时候,新提交的任务将进入workQueue被等待执行。 当线程池中的线程数量大于coolPoolSize,同时任务缓冲队列没有空余且线程小于maximumPoolSize,则线程池会创建临时应急线程处理到来的任务。 当线程池中的线程数量大于coolPoolSize,同时任务缓冲队列没有空余且线程数等于maximumPoolSize,那么线程池则会按照handler指定的策略来处理到来的线程任务。大致流程如下图所示: img 3.相关源码分析

下面分析下线程池中executor方法的源码

//原子操作整型类,32位,其中前3位表示线程状态,后29位标识线程的数量
 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

 public void execute(Runnable command) { 
        //1.判断执行的线程任务是否空,如果为空抛出空指针异常
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        //2.获取线程状态以及线程数量
        int c = ctl.get();
        //3.判断当前线程池数量是否小于corePoolSize,小于则创建新线程
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        //4.如果线程处于运行状态同时线程可以添加到缓冲队列中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
        //5.再次检查线程状态(防止上次检查后的线程已销毁或者出现线程池关闭的情况)
            int recheck = ctl.get();
        //6.如果当前线程状态不是运行状态,那么从队列中删除此任务,同时执行拒绝策略
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
        //7.否则当前线程池为空,则创建一个线程
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //8.如果队列满了,则新增线程,新增失败则执行拒绝策略
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

addWorkder方法

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
        //1.通过cas来增加线程池中的线程个数
        retry:
        for (;;) { 
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // Check if queue empty only if necessary.
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) { 
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }
        //2.并发安全的将任务添加到workers里面,同时启动任务执行
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try { 
            //创建worker
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) { 
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                //加锁,防止其他线程调用
                mainLock.lock();
                try { 
                    //重新检查线程状态
                    int rs = runStateOf(ctl.get());

                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        //添加任务
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally { 
                    mainLock.unlock();
                }
                //添加成功则启动任务
                if (workerAdded) { 
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally { 
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

4.总结 通过Java线程池的使用,实现线程的复用,降低了线程创建和销毁所带来的系统的开销。同时避免了线程上下文切换带来的系统开销。使用线程池需要注意以下几点: (1)创建线程池时,最好设置里面工作线程的名称,这样在出问题时可以方便在日志中进行问题的排查;

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