JAVA线程池原理详解

线程池的优点

1、线程是稀缺资源，使用线程池可以减少创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以重复使用。

2、可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线程的数量，防止因为消耗过多内存导致服务器崩溃。

线程池的创建

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

corePoolSize：线程池核心线程数量

maximumPoolSize:线程池最大线程数量

keepAliverTime：当活跃线程数大于核心线程数时，空闲的多余线程最大存活时间

unit：存活时间的单位

workQueue：存放任务的队列

handler：超出线程范围和队列容量的任务的处理程序

线程池的实现原理

提交一个任务到线程池中，线程池的处理流程如下：

1、判断线程池里的核心线程是否都在执行任务，如果不是（核心线程空闲或者还有核心线程没有被创建）则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程都在执行任务，则进入下个流程。

2、线程池判断工作队列是否已满，如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。

3、判断线程池里的线程是否都处于工作状态，如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

线程池的源码解读

1、ThreadPoolExecutor的execute()方法

 public void execute(Runnable command) {
          if (command == null)
              throw new NullPointerException();　　　　　　 //如果线程数大于等于基本线程数或者线程创建失败，将任务加入队列
          if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {　　　　　　　　　　//线程池处于运行状态并且加入队列成功
              if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
                  if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                      ensureQueuedTaskHandled(command);
              }　　　　　　　　　//线程池不处于运行状态或者加入队列失败，则创建线程（创建的是非核心线程）
              else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))　　　　　　　　　　　//创建线程失败，则采取阻塞处理的方式
                 reject(command); // is shutdown or saturated
         }
     }

2、创建线程的方法：addIfUnderCorePoolSize(command)

  private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
          Thread t = null;
          final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
          mainLock.lock();
          try {
              if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
                  t = addThread(firstTask);
          } finally {
              mainLock.unlock();
         }
         if (t == null)
             return false;
         t.start();
         return true;
     }

主要关注点在新增线程部分

1 private Thread addThread(Runnable firstTask) {
 2         Worker w = new Worker(firstTask);
 3         Thread t = threadFactory.newThread(w);
 4         if (t != null) {
 5             w.thread = t;
 6             workers.add(w);
 7             int nt = ++poolSize;
 8             if (nt > largestPoolSize)
 9                 largestPoolSize = nt;
10         }
11         return t;
12     }

这里将线程封装成工作线程worker，并放入工作线程组里，worker类的方法run方法：

 public void run() {
            try {
                Runnable task = firstTask;
                firstTask = null;
                while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    runTask(task);
                    task = null;
                }
            } finally {
                workerDone(this);
            }
        }

worker在执行完任务后，还会通过getTask方法循环获取工作队里里的任务来执行。

RejetedExecutionHandler：饱和策略

当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须对新提交的任务采用一种特殊的策略来进行处理。这个策略默认配置是AbortPolicy，表示无法处理新的任务而抛出异常。JAVA提供了4中策略：

1、AbortPolicy：直接抛出异常

2、CallerRunsPolicy：只用调用所在的线程运行任务

3、DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。

4、DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。

Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的模型中，JAVA线程被一对一映射为本地操作系统线程。JAVA线程启动时会创建一个本地操作系统线程，当JAVA线程终止时，对应的操作系统线程也被销毁回收，而操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。

在上层，JAVA程序会将应用分解为多个任务，然后使用应用级的调度器（Executor）将这些任务映射成固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。

Executor框架类图

JAVA线程既是工作单元，也是执行机制。而在Executor框架中，我们将工作单元与执行机制分离开来。Runnable和Callable是工作单元（也就是俗称的任务），而执行机制由Executor来提供。这样一来Executor是基于生产者消费者模式的，提交任务的操作相当于生成者，执行任务的线程相当于消费者。

1、从类图上看，Executor接口是异步任务执行框架的基础，该框架能够支持多种不同类型的任务执行策略。

public interface Executor {

    void execute(Runnable command);
}

Executor接口就提供了一个执行方法，任务是Runnbale类型，不支持Callable类型。

2、ExecutorService接口实现了Executor接口，主要提供了关闭线程池和submit方法：

public interface ExecutorService extends Executor {

    List<Runnable> shutdownNow();


    boolean isTerminated();


    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

 }

另外该接口有两个重要的实现类：ThreadPoolExecutor与ScheduledThreadPoolExecutor。

其中ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务；而ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行任务，或者定期执行命令。

在上一篇文章中，我是使用ThreadPoolExecutor来通过给定不同的参数从而创建自己所需的线程池，但是在后面的工作中不建议这种方式，推荐使用Exectuors工厂方法来创建线程池

这里先来区别线程池和线程组（ThreadGroup与ThreadPoolExecutor）这两个概念：

a、线程组就表示一个线程的集合。

b、线程池是为线程的生命周期开销问题和资源不足问题提供解决方案，主要是用来管理线程。

Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadExecutor和CachedThreadPool

a、SingleThreadExecutor：单线程线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

我们从源码来看可以知道，单线程线程池的创建也是通过ThreadPoolExecutor，里面的核心线程数和线程数都是1，并且工作队列使用的是无界队列。由于是单线程工作，每次只能处理一个任务，所以后面所有的任务都被阻塞在工作队列中，只能一个个任务执行。

b、FixedThreadExecutor：固定大小线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

这个与单线程类似，只是创建了固定大小的线程数量。

c、CachedThreadPool:无界线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

无界线程池意味着没有工作队列，任务进来就执行，线程数量不够就创建，与前面两个的区别是：空闲的线程会被回收掉，空闲的时间是60s。这个适用于执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器。

Callable、Future、FutureTash详解

Callable与Future是在JAVA的后续版本中引入进来的，Callable类似于Runnable接口，实现Callable接口的类与实现Runnable的类都是可以被线程执行的任务。

三者之间的关系：

Callable是Runnable封装的异步运算任务。

Future用来保存Callable异步运算的结果

FutureTask封装Future的实体类

1、Callable与Runnbale的区别

a、Callable定义的方法是call，而Runnable定义的方法是run。

b、call方法有返回值，而run方法是没有返回值的。

c、call方法可以抛出异常，而run方法不能抛出异常。

2、Future

Future表示异步计算的结果，提供了以下方法，主要是判断任务是否完成、中断任务、获取任务执行结果

 1 public interface Future<V> {
 2 
 3     boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 4 
 5     boolean isCancelled();
 6 
 7     boolean isDone();
 8 
 9     V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
10 
11     V get(long timeout, TimeUnit unit)
12         throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
13 }

3、FutureTask

可取消的异步计算，此类提供了对Future的基本实现，仅在计算完成时才能获取结果，如果计算尚未完成，则阻塞get方法。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

FutureTask不仅实现了Future接口，还实现了Runnable接口，所以不仅可以将FutureTask当成一个任务交给Executor来执行，还可以通过Thread来创建一个线程。

Callable与FutureTask

定义一个callable的任务：

1 public class MyCallableTask implements Callable<Integer>
 2 {
 3     @Override
 4     public Integer call()
 5         throws Exception
 6     {
 7         System.out.println("callable do somothing");
 8         Thread.sleep(5000);
 9         return new Random().nextInt(100);
10     }
11 }

public class CallableTest
 2 {
 3     public static void main(String[] args) throws Exception
 4     {
 5         Callable<Integer> callable = new MyCallableTask();
 6         FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(callable);
 7         Thread thread = new Thread(future);
 8         thread.start();
 9         Thread.sleep(100);
10         //尝试取消对此任务的执行
11         future.cancel(true);
12         //判断是否在任务正常完成前取消
13         System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());
14         if(!future.isCancelled())
15         {
16             System.out.println("future is cancelled");
17         }
18         //判断任务是否已完成
19         System.out.println("future is done:" + future.isDone());
20         if(!future.isDone())
21         {
22             System.out.println("future get=" + future.get());
23         }
24         else
25         {
26             //任务已完成
27             System.out.println("task is done");
28         }
29     }
30 }