Java 線程池

最近在改進(jìn)項(xiàng)目的并發(fā)功能，但開發(fā)起來磕磕碰碰的?？戳撕枚噘Y料，總算加深了認(rèn)識(shí)。于是打算配合查看源代碼，總結(jié)并發(fā)編程的原理。

準(zhǔn)備從用得最多的線程池開始，圍繞創(chuàng)建、執(zhí)行、關(guān)閉認(rèn)識(shí)線程池整個(gè)生命周期的實(shí)現(xiàn)原理。后續(xù)再研究原子變量、并發(fā)容器、阻塞隊(duì)列、同步工具、鎖等等主題。java.util.concurrent里的并發(fā)工具用起來不難，但不能僅僅會(huì)用，我們要read the fucking source code，哈哈。順便說聲，我用的JDK是1.8。

Executor框架

Executor是一套線程池管理框架，接口里只有一個(gè)方法execute，執(zhí)行Runnable任務(wù)。ExecutorService接口擴(kuò)展了Executor，添加了線程生命周期的管理，提供任務(wù)終止、返回任務(wù)結(jié)果等方法。AbstractExecutorService實(shí)現(xiàn)了ExecutorService，提供例如submit方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)邏輯。

然后到今天的主題ThreadPoolExecutor，繼承了AbstractExecutorService，提供線程池的具體實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)造方法

下面是ThreadPoolExecutor最普通的構(gòu)造函數(shù)，最多有七個(gè)參數(shù)。具體代碼不貼了，只是一些參數(shù)校驗(yàn)和設(shè)置的語句。

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

corePoolSize是線程池的目標(biāo)大小，即是線程池剛剛創(chuàng)建起來，還沒有任務(wù)要執(zhí)行時(shí)的大小。maximumPoolSize是線程池的最大上限。keepAliveTime是線程的存活時(shí)間，當(dāng)線程池內(nèi)的線程數(shù)量大于corePoolSize，超出存活時(shí)間的空閑線程就會(huì)被回收。unit就不用說了，剩下的三個(gè)參數(shù)看后文的分析。

預(yù)設(shè)的定制線程池

ThreadPoolExecutor預(yù)設(shè)了一些已經(jīng)定制好的線程池，由Executors里的工廠方法創(chuàng)建。下面分析newSingleThreadExecutor、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool的創(chuàng)建參數(shù)。

newFixedThreadPool

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

newFixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都設(shè)置為傳入的固定數(shù)量，keepAliveTim設(shè)置為0。線程池創(chuàng)建后，線程數(shù)量將會(huì)固定不變，適合需要線程很穩(wěn)定的場(chǎng)合。

newSingleThreadExecutor

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

newSingleThreadExecutor是線程數(shù)量固定為1的newFixedThreadPool版本，保證池內(nèi)的任務(wù)串行。注意到返回的是FinalizableDelegatedExecutorService，來看看源碼：

static class FinalizableDelegatedExecutorService
    extends DelegatedExecutorService {
    FinalizableDelegatedExecutorService(ExecutorService executor) {
      super(executor);
    }
    protected void finalize() {
      super.shutdown();
    }
  }

FinalizableDelegatedExecutorService繼承了DelegatedExecutorService，僅僅在gc時(shí)增加關(guān)閉線程池的操作，再來看看DelegatedExecutorService的源碼：

static class DelegatedExecutorService extends AbstractExecutorService {
    private final ExecutorService e;
    DelegatedExecutorService(ExecutorService executor) { e = executor; }
    public void execute(Runnable command) { e.execute(command); }
    public void shutdown() { e.shutdown(); }
    public List<Runnable> shutdownNow() { return e.shutdownNow(); }
    public boolean isShutdown() { return e.isShutdown(); }
    public boolean isTerminated() { return e.isTerminated(); }
    //...
  }

代碼很簡(jiǎn)單，DelegatedExecutorService包裝了ExecutorService，使其只暴露出ExecutorService的方法，因此不能再配置線程池的參數(shù)。本來，線程池創(chuàng)建的參數(shù)是可以調(diào)整的，ThreadPoolExecutor提供了set方法。使用newSingleThreadExecutor目的是生成單線程串行的線程池，如果還能配置線程池大小，那就沒意思了。

Executors還提供了unconfigurableExecutorService方法，將普通線程池包裝成不可配置的線程池。如果不想線程池被不明所以的后人修改，可以調(diào)用這個(gè)方法。

newCachedThreadPool

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

newCachedThreadPool生成一個(gè)會(huì)緩存的線程池，線程數(shù)量可以從0到Integer.MAX_VALUE，超時(shí)時(shí)間為1分鐘。線程池用起來的效果是：如果有空閑線程，會(huì)復(fù)用線程；如果沒有空閑線程，會(huì)新建線程；如果線程空閑超過1分鐘，將會(huì)被回收。

newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)可定時(shí)執(zhí)行任務(wù)的線程池。這個(gè)不打算在本文展開，后續(xù)會(huì)另開文章細(xì)講。

等待隊(duì)列

newCachedThreadPool的線程上限幾乎等同于無限，但系統(tǒng)資源是有限的，任務(wù)的處理速度總有可能比不上任務(wù)的提交速度。因此，可以為ThreadPoolExecutor提供一個(gè)阻塞隊(duì)列來保存因線程不足而等待的Runnable任務(wù)，這就是BlockingQueue。

JDK為BlockingQueue提供了幾種實(shí)現(xiàn)方式，常用的有：

• ArrayBlockingQueue：數(shù)組結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列
• LinkedBlockingQueue：鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列
• PriorityBlockingQueue：有優(yōu)先級(jí)的阻塞隊(duì)列
• SynchronousQueue：不會(huì)存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列
  

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor在默認(rèn)情況下使用一個(gè)無界的LinkedBlockingQueue。要注意的是，如果任務(wù)一直提交，但線程池又不能及時(shí)處理，等待隊(duì)列將會(huì)無限制地加長，系統(tǒng)資源總會(huì)有消耗殆盡的一刻。所以，推薦使用有界的等待隊(duì)列，避免資源耗盡。但解決一個(gè)問題，又會(huì)帶來新問題：隊(duì)列填滿之后，再來新任務(wù)，這個(gè)時(shí)候怎么辦？后文會(huì)介紹如何處理隊(duì)列飽和。

newCachedThreadPool使用的SynchronousQueue十分有趣，看名稱是個(gè)隊(duì)列，但它卻不能存儲(chǔ)元素。要將一個(gè)任務(wù)放進(jìn)隊(duì)列，必須有另一個(gè)線程去接收這個(gè)任務(wù)，一個(gè)進(jìn)就有一個(gè)出，隊(duì)列不會(huì)存儲(chǔ)任何東西。因此，SynchronousQueue是一種移交機(jī)制，不能算是隊(duì)列。newCachedThreadPool生成的是一個(gè)沒有上限的線程池，理論上提交多少任務(wù)都可以，使用SynchronousQueue作為等待隊(duì)列正合適。

飽和策略

當(dāng)有界的等待隊(duì)列滿了之后，就需要用到飽和策略去處理，ThreadPoolExecutor的飽和策略通過傳入RejectedExecutionHandler來實(shí)現(xiàn)。如果沒有為構(gòu)造函數(shù)傳入，將會(huì)使用默認(rèn)的defaultHandler。

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public AbortPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
    }
  }

AbortPolicy是默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)，直接拋出一個(gè)RejectedExecutionException異常，讓調(diào)用者自己處理。除此之外，還有幾種飽和策略，來看一下：

 public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public DiscardPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    }
  }

DiscardPolicy的rejectedExecution直接是空方法，什么也不干。如果隊(duì)列滿了，后續(xù)的任務(wù)都拋棄掉。

 public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public DiscardOldestPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        e.getQueue().poll();
        e.execute(r);
      }
    }
  }

DiscardOldestPolicy會(huì)將等待隊(duì)列里最舊的任務(wù)踢走，讓新任務(wù)得以執(zhí)行。

 public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public CallerRunsPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        r.run();
      }
    }
  }

最后一種飽和策略是CallerRunsPolicy，它既不拋棄新任務(wù)，也不拋棄舊任務(wù)，而是直接在當(dāng)前線程運(yùn)行這個(gè)任務(wù)。當(dāng)前線程一般就是主線程啊，讓主線程運(yùn)行任務(wù)，說不定就阻塞了。如果不是想清楚了整套方案，還是少用這種策略為妙。

ThreadFactory

每當(dāng)線程池需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新線程，都是通過線程工廠獲取。如果不為ThreadPoolExecutor設(shè)定一個(gè)線程工廠，就會(huì)使用默認(rèn)的defaultThreadFactory：

public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
  return new DefaultThreadFactory();
}

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-";
    }

    public Thread newThread(Runnable r) {
      Thread t = new Thread(group, r,
                 namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                 0);
      if (t.isDaemon())
        t.setDaemon(false);
      if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
        t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
      return t;
    }
  }

平時(shí)打印線程池里線程的name時(shí)，會(huì)輸出形如pool-1-thread-1之類的名稱，就是在這里設(shè)置的。這個(gè)默認(rèn)的線程工廠，創(chuàng)建的線程是普通的非守護(hù)線程，如果需要定制，實(shí)現(xiàn)ThreadFactory后傳給ThreadPoolExecutor即可。

不看代碼不總結(jié)不會(huì)知道，光是線程池的創(chuàng)建就可以引出很多學(xué)問。別看平時(shí)創(chuàng)建線程池是一句代碼的事，其實(shí)ThreadPoolExecutor提供了很靈活的定制方法。

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