Java 线程池原理分析

1.简介

线程池可以简单看做是一组线程的集合,通过使用线程池,我们可以方便的复用线程,避免了频繁创建和销毁线程所带来的开销。在应用上,线程池可应用在后端相关服务中。比如 Web 服务器,数据库服务器等。以 Web 服务器为例,假如 Web 服务器会收到大量短时的 HTTP 请求,如果此时我们简单的为每个 HTTP 请求创建一个处理线程,那么服务器的资源将会很快被耗尽。当然我们也可以自己去管理并复用已创建的线程,以限制资源的消耗量,但这样会使用程序的逻辑变复杂。好在,幸运的是,我们不必那样做。在 JDK 1.5 中,官方已经提供了强大的线程池工具类。通过使用这些工具类,我们可以用低廉的代价使用多线程技术。

线程池作为 Java 并发重要的工具类,在会用的基础上,我觉得很有必要去学习一下线程池的相关原理。毕竟线程池除了要管理线程,还要管理任务,同时还要具备统计功能。所以多了解一点,还是可以扩充眼界的,同时也可以更为熟悉线程池技术。

2.继承体系

线程池所涉及到的接口和类并不是很多,其继承体系也相对简单。相关继承关系如下:

如上图,最顶层的接口 Executor 仅声明了一个方法execute。ExecutorService 接口在其父类接口基础上,声明了包含但不限于shutdownsubmitinvokeAllinvokeAny 等方法。至于 ScheduledExecutorService 接口,则是声明了一些和定时任务相关的方法,比如 schedulescheduleAtFixedRate。线程池的核心实现是在 ThreadPoolExecutor 类中,我们使用 Executors 调用newFixedThreadPoolnewSingleThreadExecutornewCachedThreadPool等方法创建线程池均是 ThreadPoolExecutor 类型。

以上是对线程池继承体系的简单介绍,这里先让大家对线程池大致轮廓有一定的了解。接下来我会介绍一下线程池的实现原理,继续往下看吧。

3.原理分析

3.1 核心参数分析

3.1.1 核心参数简介

如上节所说,线程池的核心实现即 ThreadPoolExecutor 类。该类包含了几个核心属性,这些属性在可在构造方法进行初始化。在介绍核心属性前,我们先来看看 ThreadPoolExecutor 的构造方法,如下:

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

如上所示,构造方法的参数即核心参数,这里我用一个表格来简要说明一下各个参数的意义。如下:

参数说明
corePoolSize核心线程数。当线程数小于该值时,线程池会优先创建新线程来执行新任务
maximumPoolSize线程池所能维护的最大线程数
keepAliveTime空闲线程的存活时间
workQueue任务队列,用于缓存未执行的任务
threadFactory线程工厂。可通过工厂为新建的线程设置更有意义的名字
handler拒绝策略。当线程池和任务队列均处于饱和状态时,使用拒绝策略处理新任务。默认是 AbortPolicy,即直接抛出异常

以上是各个参数的简介,下面我将会针对部分参数进行详细说明,继续往下看。

3.1.2 线程创建规则

在 Java 线程池实现中,线程池所能创建的线程数量受限于 corePoolSize 和 maximumPoolSize 两个参数值。线程的创建时机则和 corePoolSize 以及 workQueue 两个参数有关。下面列举一下线程创建的4个规则(线程池中无空闲线程),如下:

  1. 线程数量小于 corePoolSize,直接创建新线程处理新的任务
  2. 线程数量大于等于 corePoolSize,workQueue 未满,则缓存新任务
  3. 线程数量大于等于 corePoolSize,但小于 maximumPoolSize,且 workQueue 已满。则创建新线程处理新任务
  4. 线程数量大于等于 maximumPoolSize,且 workQueue 已满,则使用拒绝策略处理新任务

简化一下上面的规则:

序号条件动作
1线程数 < corePoolSize创建新线程
2线程数 ≥ corePoolSize,且 workQueue 未满缓存新任务
3corePoolSize ≤ 线程数 < maximumPoolSize,且 workQueue 已满创建新线程
4线程数 ≥ maximumPoolSize,且 workQueue 已满使用拒绝策略处理

3.1.3 资源回收

考虑到系统资源是有限的,对于线程池超出 corePoolSize 数量的空闲线程应进行回收操作。进行此操作存在一个问题,即回收时机。目前的实现方式是当线程空闲时间超过 keepAliveTime 后,进行回收。除了核心线程数之外的线程可以进行回收,核心线程内的空闲线程也可以进行回收。回收的前提是allowCoreThreadTimeOut属性被设置为 true,通过public void allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法可以设置属性值。

3.1.4 排队策略

如3.1.2 线程创建规则一节中规则2所说,当线程数量大于等于 corePoolSize,workQueue 未满时,则缓存新任务。这里要考虑使用什么类型的容器缓存新任务,通过 JDK 文档介绍,我们可知道有3中类型的容器可供使用,分别是同步队列有界队列无界队列。对于有优先级的任务,这里还可以增加优先级队列。以上所介绍的4中类型的队列,对应的实现类如下:

实现类类型说明
SynchronousQueue同步队列该队列不存储元素,每个插入操作必须等待另一个线程调用移除操作,否则插入操作会一直阻塞
ArrayBlockingQueue有界队列基于数组的阻塞队列,按照 FIFO 原则对元素进行排序
LinkedBlockingQueue无界队列基于链表的阻塞队列,按照 FIFO 原则对元素进行排序
PriorityBlockingQueue优先级队列具有优先级的阻塞队列

3.1.5 拒绝策略

如3.1.2 线程创建规则一节中规则4所说,线程数量大于等于 maximumPoolSize,且 workQueue 已满,则使用拒绝策略处理新任务。Java 线程池提供了4中拒绝策略实现类,如下:

实现类说明
AbortPolicy丢弃新任务,并抛出 RejectedExecutionException
DiscardPolicy不做任何操作,直接丢弃新任务
DiscardOldestPolicy丢弃队列队首的元素,并执行新任务
CallerRunsPolicy由调用线程执行新任务

以上4个拒绝策略中,AbortPolicy 是线程池实现类所使用的策略。我们也可以通过方法public void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler)修改线程池决绝策略。

3.2 重要操作

3.2.1 线程的创建与复用

在线程池的实现上,线程的创建是通过线程工厂接口ThreadFactory的实现类来完成的。默认情况下,线程池使用Executors.defaultThreadFactory()方法返回的线程工厂实现类。当然,我们也可以通过
public void setThreadFactory(ThreadFactory)方法进行动态修改。具体细节这里就不多说了,并不复杂,大家可以自己去看下源码。

在线程池中,线程的复用是线程池的关键所在。这就要求线程在执行完一个任务后,不能立即退出。对应到具体实现上,工作线程在执行完一个任务后,会再次到任务队列获取新的任务。如果任务队列中没有任务,且 keepAliveTime 也未被设置,工作线程则会被一致阻塞下去。通过这种方式即可实现线程复用。

说完原理,再来看看线程的创建和复用的相关代码(基于 JDK 1.8),如下:

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+----ThreadPoolExecutor.Worker.java
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1);
this.firstTask = firstTask;
// 调用线程工厂创建线程
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

// Worker 实现了 Runnable 接口
public void run() {
runWorker(this);
}

+----ThreadPoolExecutor.java
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环从任务队列中获取新任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 执行新任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 线程退出后,进行后续处理
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}

3.2.2 提交任务

通常情况下,我们可以通过线程池的submit方法提交任务。被提交的任务可能会立即执行,也可能会被缓存或者被拒绝。任务的处理流程如下图所示:

上面的流程图不是很复杂,下面再来看看流程图对应的代码,如下:

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+---- AbstractExecutorService.java
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 创建任务
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
// 提交任务
execute(ftask);
return ftask;
}

+---- ThreadPoolExecutor.java
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();

int c = ctl.get();
// 如果工作线程数量 < 核心线程数,则创建新线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加工作者对象
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}

// 缓存任务,如果队列已满,则 offer 方法返回 false。否则,offer 返回 true
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);
}

// 添加工作者对象,并在 addWorker 方法中检测线程数是否小于最大线程数
else if (!addWorker(command, false))
// 线程数 >= 最大线程数,使用拒绝策略处理任务
reject(command);
}

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
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);
// 检测工作线程数与核心线程数或最大线程数的关系
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
}
}

boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 创建工作者对象,细节参考上一节所贴代码
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 将 worker 对象添加到 workers 集合中
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 更新 largestPoolSize 属性
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
// 开始执行任务
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}

上面的代码略多,不过结合上面的流程图,和我所写的注释,理解主逻辑应该不难。

3.2.3 关闭线程池

我们可以通过shutdownshutdownNow两个方法关闭线程池。两个方法的区别在于,shutdown 会将线程池的状态设置为SHUTDOWN,同时该方法还会中断空闲线程。shutdownNow 则会将线程池状态设置为STOP,并尝试中断所有的线程。中断线程使用的是Thread.interrupt方法,未响应中断方法的任务是无法被中断的。最后,shutdownNow 方法会将未执行的任务全部返回。

调用 shutdown 和 shutdownNow 方法关闭线程池后,就不能再向线程池提交新任务了。对于处于关闭状态的线程池,会使用拒绝策略处理新提交的任务。

4.几种线程池

一般情况下,我们并不直接使用 ThreadPoolExecutor 类创建线程池,而是通过 Executors 工具类去构建线程池。通过 Executors 工具类,我们可以构造5中不同的线程池。下面通过一个表格简单介绍一下几种线程池,如下:

静态构造方法说明
newFixedThreadPool(int nThreads)构建包含固定线程数的线程池,默认情况下,空闲线程不会被回收
newCachedThreadPool()构建线程数不定的线程池,线程数量随任务量变动,空闲线程存活时间超过60秒后会被回收
newSingleThreadExecutor()构建线程数为1的线程池,等价于 newFixedThreadPool(1) 所构造出的线程池
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)构建核心线程数为 corePoolSize,可执行定时任务的线程池
newSingleThreadScheduledExecutor()等价于 newScheduledThreadPool(1)

5. 总结

好了,到此,本文的主要内容就结束了。在本文中,我对线程池的主要原理做了简要分析。虽然只是简要分析,但通过分析并撰写此篇文章,也使我个人对 Java 线程池有了更深的认识。需要说明的是,限于时间原因,本文并未将线程池所有的知识都说一遍。关于其他方面的东西,大家可以自己阅读以下 JDK 文档,或者翻翻源码,我这里就不多说了。

好了,本文到此结束,文中如有不妥错误之处欢迎大家指出。最后感谢大家阅读,下篇文章再见。

参考

聊聊并发(三)Java线程池的分析和使用 - 方腾飞
深入理解Java之线程池 - 海子
Java多线程18:线程池 - 五月的仓颉