21.线程池ThreadPoolExecutor实现原理
2019-02-08 19:32 xiaok1024 阅读(354) 评论(0) 编辑 收藏 举报在实际使用中,线程是很占用系统资源的,如果对线程管理不善很容易导致系统问题。因此,在大多数并发框架中都会使用线程池来管理线程,使用线程池管理线程主要有如下好处:
-
降低资源消耗
-
提升系统响应速度。通过复用线程,省去创建线程的过程,因此整体上提升了系统的响应速度;
-
提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,因此,需要使用线程池来管理线程。
2. 线程池的工作原理
当一个并发任务提交给线程池,线程池分配线程去执行任务的过程如下图所示:
从图可以看出,线程池执行所提交的任务过程主要有这样几个阶段:
-
先判断线程池中核心线程池所有的线程是否都在执行任务。如果不是,则新创建一个线程执行刚提交的任务,否则,核心线程池中所有的线程都在执行任务,则进入第2步;
-
判断当前阻塞队列是否已满,如果未满,则将提交的任务放置在阻塞队列中;否则,则进入第3步;
-
判断线程池中所有的线程是否都在执行任务,如果没有,则创建一个新的线程来执行任务,否则,则交给饱和策略进行处理
3. 线程池的创建
创建线程池主要是ThreadPoolExecutor类来完成,ThreadPoolExecutor的有许多重载的构造方法,通过参数最多的构造方法来理解创建线程池有哪些需要配置的参数。ThreadPoolExecutor的构造方法为:
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
下面对参数进行说明:
-
corePoolSize:表示核心线程池的大小。当提交一个任务时,如果当前核心线程池的线程个数没有达到corePoolSize,则会创建新的线程来执行所提交的任务,即使当前核心线程池有空闲的线程。如果当前核心线程池的线程个数已经达到了corePoolSize,则不再重新创建线程。如果调用了
prestartCoreThread()
或者prestartAllCoreThreads()
,线程池创建的时候所有的核心线程都会被创建并且启动。 -
maximumPoolSize:表示线程池能创建线程的最大个数。如果当阻塞队列已满时,并且当前线程池线程个数没有超过maximumPoolSize的话,就会创建新的线程来执行任务。
-
keepAliveTime:空闲线程存活时间。如果当前线程池的线程个数已经超过了corePoolSize,并且线程空闲时间超过了keepAliveTime的话,就会将这些空闲线程销毁,这样可以尽可能降低系统资源消耗。
-
unit:时间单位。为keepAliveTime指定时间单位。
-
workQueue:阻塞队列。用于保存任务的阻塞队列,关于阻塞队列可以看这篇文章。可以使用ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, SynchronousQueue, PriorityBlockingQueue。
-
threadFactory:创建线程的工程类。可以通过指定线程工厂为每个创建出来的线程设置更有意义的名字,如果出现并发问题,也方便查找问题原因。
-
handler:饱和策略。当线程池的阻塞队列已满和指定的线程都已经开启,说明当前线程池已经处于饱和状态了,那么就需要采用一种策略来处理这种情况。采用的策略有这几种:
(1)AbortPolicy: 直接拒绝所提交的任务,并抛出RejectedExecutionException异常;
(2)CallerRunsPolicy:只用调用者所在的线程来执行任务;
(3)DiscardPolicy:不处理直接丢弃掉任务;
(4)DiscardOldestPolicy:丢弃掉阻塞队列中存放时间最久的任务,执行当前任务
下面再介绍下线程池的运行状态. 线程池一共有五种状态, 分别是:
-
RUNNING :能接受新提交的任务,并且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,但却可以继续处理阻塞队列中已保存的任务。在线程池处于 RUNNING 状态时,调用 shutdown()方法会使线程池进入到该状态。(finalize() 方法在执行过程中也会调用shutdown()方法进入该状态);
-
STOP:不能接受新任务,也不处理队列中的任务,会中断正在处理任务的线程。在线程池处于 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态时,调用 shutdownNow() 方法会使线程池进入到该状态;
-
TIDYING(太庭):如果所有的任务都已终止了,workerCount (有效线程数) 为0,线程池进入该状态后会调用 terminated() 方法进入TERMINATED 状态。
-
TERMINATED
在terminated() 方法执行完后进入该状态,默认terminated()方法中什么也没有做。
进入TERMINATED的条件如下:
-
线程池不是RUNNING状态;
-
线程池状态不是TIDYING状态或TERMINATED状态;
-
如果线程池状态是SHUTDOWN并且workerQueue为空;
-
workerCount为0;
-
设置TIDYING状态成功。
-
下图为线程池的状态转换过程:
线程池执行逻辑
通过ThreadPoolExecutor创建线程池后,提交任务后执行过程是怎样的,下面来通过源码来看一看。execute方法源码如下:
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
int c = ctl.get();
//1.如果线程池的线程个数少于corePoolSize则创建新线程执行当前任务
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//2.如果线程个数大于corePoolSize或者创建线程失败,则将任务存放在阻塞队列workQueue中
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);
}
//3.如果当前任务无法放进阻塞队列中,则创建新的线程来执行任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
ThreadPoolExecutor的execute方法执行逻辑请见注释。下图为ThreadPoolExecutor的execute方法的执行示意图:
execute方法执行逻辑有这样几种情况:
-
如果当前运行的线程少于corePoolSize,则会创建新的线程来执行新的任务;
-
如果运行的线程个数等于或者大于corePoolSize,则会将提交的任务存放到阻塞队列workQueue中;
-
如果当前workQueue队列已满的话,则会创建新的线程来执行任务;
-
如果线程个数已经超过了maximumPoolSize,则会使用饱和策略RejectedExecutionHandler来进行处理。
这里要注意一下
addWorker(null, false);
,也就是创建一个线程,但并没有传入任务,因为任务已经被添加到workQueue中了,所以worker在执行的时候,会直接从workQueue中获取任务。所以,在workerCountOf(recheck) == 0
时执行addWorker(null, false);
也是为了保证线程池在RUNNING状态下必须要有一个线程来执行任务。
需要注意的是,线程池的设计思想就是使用了核心线程池corePoolSize,阻塞队列workQueue和线程池maximumPoolSize,这样的缓存策略来处理任务,实际上这样的设计思想在需要框架中都会使用。
4. 线程池的关闭
关闭线程池,可以通过shutdown
和shutdownNow
这两个方法。它们的原理都是遍历线程池中所有的线程,然后依次中断线程。shutdown
和shutdownNow
还是有不一样的地方:
-
shutdownNow
首先将线程池的状态设置为STOP,然后尝试停止所有的正在执行和未执行任务的线程,并返回等待执行任务的列表(取出阻塞队列中没有被执行的任务并返回); -
shutdown
只是将线程池的状态设置为SHUTDOWN状态,然后中断所有没有正在执行任务的线程
可以看出shutdown方法会将正在执行的任务继续执行完,而shutdownNow会直接中断正在执行的任务。调用了这两个方法的任意一个,isShutdown
方法都会返回true,当所有的线程都关闭成功,才表示线程池成功关闭,这时调用isTerminated
方法才会返回true。
5. 如何合理配置线程池参数?
要想合理的配置线程池,就必须首先分析任务特性,可以从以下几个角度来进行分析:
-
任务的性质:CPU密集型任务,IO密集型任务和混合型任务。
-
任务的优先级:高,中和低。
-
任务的执行时间:长,中和短。
-
任务的依赖性:是否依赖其他系统资源,如数据库连接。
任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。
CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量,如配置Ncpu+1个线程的线程池。
IO密集型任务则由于需要等待IO操作,线程并不是一直在执行任务,则配置尽可能多的线程,如2xNcpu。
混合型的任务,如果可以拆分,则将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率,如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解。我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()
方法获得当前设备的CPU个数。
优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先得到执行,需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级低的任务可能永远不能执行。
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者也可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行。
依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置越大,这样才能更好的利用CPU。并且,阻塞队列最好是使用有界队列,如果采用无界队列的话,一旦任务积压在阻塞队列中的话就会占用过多的内存资源,甚至会使得系统崩溃。
参考文献
《Java并发编程的艺术》