六、執行緒池(一)

abc_十號發表於2020-06-19

執行緒池

通過建立池可以有效的利用系統資源,節約系統效能。Java 中的執行緒池就是一種非常好的實現,從 JDK1.5 開始 Java 提供了一個執行緒工廠 Executors 用來生成執行緒池,通過 Executors 可以方便的生成不同型別的執行緒池。

執行緒池的優點

  • 降低資源消耗。執行緒的開啟和銷燬會消耗資源,通過重複利用已建立的執行緒降低執行緒建立和銷燬造成的消耗。
  • 提高響應速度。當任務到達時,任務可以不需要的等到執行緒建立就能立即執行。
  • 提高執行緒的可管理性。執行緒是稀缺資源,如果無限制的建立,不僅會消耗系統資源,還會降低系統的穩定性,使用執行緒池可以進行統一的分配,調優和監控。

常見的執行緒池

  • CachedThreadPool:可快取的執行緒池,該執行緒池中沒有核心執行緒,非核心執行緒的數量為 Integer.max_value,就是無限大,當有需要時建立執行緒來執行任務,沒有需要時回收執行緒,適用於耗時少,任務量大的情況。
  • SecudleThreadPool:週期性執行任務的執行緒池,按照某種特定的計劃執行執行緒中的任務,有核心執行緒,但也有非核心執行緒,非核心執行緒的大小也為無限大。適用於執行週期性的任務。
  • SingleThreadPool:只有一條執行緒來執行任務,適用於有順序的任務的應用場景。
  • FixedThreadPool:定長的執行緒池,有核心執行緒,核心執行緒的即為最大的執行緒數量,沒有非核心執行緒
  • Executors.newFixedThreadPool()、Executors.newSingleThreadExecutor() 和 Executors.newCachedThreadPool() 等方法的底層都是通過 ThreadPoolExecutor 實現的。

ThreadPoolExecutor

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        // maximumPoolSize 必須大於 0,且必須大於 corePoolSize
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
            null :
            AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

引數介紹:

  • corePoolSize

    • 執行緒池的核心執行緒數。在沒有設定 allowCoreThreadTimeOut 為 true 的情況下,核心執行緒會線上程池中一直存活,即使處於閒置狀態。
    • 如果設定為 0,則表示在沒有任何任務時,銷燬執行緒池;如果大於 0,即使沒有任務時也會保證執行緒池的執行緒數量等於此值。
    • 但需要注意,此值如果設定的比較小,則會頻繁的建立和銷燬執行緒,如果設定的比較大,則會浪費系統資源,所以需要根據自己的實際業務來調整此值。
  • maximumPoolSize

    • 執行緒池所能容納的最大執行緒數。當活動執行緒(核心執行緒+非核心執行緒)達到這個數值後,後續任務將會根據 RejectedExecutionHandler 來進行拒絕策略處理。
    • 官方規定此值必須大於 0,也必須大於等於 corePoolSize,此值只有在任務比較多,且不能存放在任務佇列時,才會用到。
  • keepAliveTime

    • 非核心執行緒閒置時的超時時長。超過該時長,非核心執行緒就會被回收。
    • 若執行緒池通過 allowCoreThreadTimeOut() 方法設定 allowCoreThreadTimeOut 屬性為 true,則該時長同樣會作用於核心執行緒,AsyncTask 配置的執行緒池就是這樣設定的。
  • unit

    • keepAliveTime 時長對應的單位。
  • workQueue

    • 表示執行緒池執行的任務佇列,當執行緒池的所有執行緒都在處理任務時,如果來了新任務就會快取到此任務佇列中排隊等待執行。
    • 是一個阻塞佇列 BlockingQueue,雖然它是 Queue 的子介面,但是它的主要作用並不是容器,而是作為執行緒同步的工具,他有一個特徵,當生產者試圖向 BlockingQueue 放入(put)元素,如果佇列已滿,則該執行緒被阻塞;當消費者試圖從 BlockingQueue 取出(take)元素,如果佇列已空,則該執行緒被阻塞。
  • ThreadFactory

    • 執行緒的建立工廠,功能很簡單,就是為執行緒池提供建立新執行緒的功能。
    • 也可以自定義一個執行緒工廠,通過實現 ThreadFactory 介面來完成,這樣就可以自定義執行緒的名稱或執行緒執行的優先順序了。
    • 通常在建立執行緒池時不指定此引數,它會使用預設的執行緒建立工廠的方法來建立執行緒,原始碼如下:
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        // Executors.defaultThreadFactory() 為預設的執行緒建立工廠
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }
    public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
        return new DefaultThreadFactory();
    }
    // 預設的執行緒建立工廠,需要實現 ThreadFactory 介面
    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-";
        }
        // 建立執行緒
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread t = new Thread(group, r,
                                  namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                                  0);
            if (t.isDaemon()) 
                t.setDaemon(false); // 建立一個非守護執行緒
            if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
                t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY); // 執行緒優先順序設定為預設值
            return t;
        }
    }
    
  • RejectedExecutionHandler

    • 表示指定執行緒池的拒絕策略,當執行緒池的任務已經在快取佇列 workQueue 中儲存滿了之後,並且不能建立新的執行緒來執行此任務時,就會用到此拒絕策略.
    • 它屬於一種限流保護的機制,這裡有四種任務拒絕型別:
      1. AbortPolicy: 不執行新任務,直接丟擲異常,提示執行緒池已滿,涉及到該異常的任務也不會被執行,執行緒池預設的拒絕策略就是該策略。
      2. DisCardPolicy: 不執行新任務,也不丟擲異常,即忽略此任務;
      3. DisCardOldSetPolicy: 將訊息佇列中的第一個任務(即等待時間最久的任務)替換為當前新進來的任務執行,忽略最早的任務(最先加入佇列的任務);
      4. CallerRunsPolicy: 把任務交給當前執行緒來執行;
    /**
     * 執行緒池的拒絕策略
     */
    @Test
    public void test1() {
        // 建立執行緒池 核心執行緒為1,最大執行緒為3,任務佇列大小為2
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1, 3, 10,
                TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingDeque<>(2),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 新增 AbortPolicy 拒絕策略
        );
    
    
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            poolExecutor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        
    }
    
    • 自定義執行緒池拒絕策略
    /**
     * 自定義執行緒池的拒絕策略
     * 實現介面 RejectedExecutionHandler
     */
    @Test
    public void test2() {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 3, 10,
                TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingDeque<>(2),
                new RejectedExecutionHandler() {
    
                    @Override
                    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                        // 業務處理方法
                        System.out.println("執行自定義拒絕策略");
                    }
                }
        );
    
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            });
        }
    
    }
    

執行緒池工作原理

執行緒池工作原理

執行緒池的工作流程要從它的執行方法 execute() 說起,原始碼如下:

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    // 當前工作的執行緒數小於核心執行緒數
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 建立新的執行緒執行此任務
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    // 檢查執行緒池是否處於執行狀態,如果是則把任務新增到佇列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 再出檢查執行緒池是否處於執行狀態,防止在第一次校驗通過後執行緒池關閉
        // 如果是非執行狀態,則將剛加入佇列的任務移除
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果執行緒池的執行緒數為 0 時(當 corePoolSize 設定為 0 時會發生)
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false); // 新建執行緒執行任務
    }
    // 核心執行緒都在忙且佇列都已爆滿,嘗試新啟動一個執行緒執行失敗
    else if (!addWorker(command, false)) 
        // 執行拒絕策略
        reject(command);
}

execute() VS submit()

  • execute() 和 submit() 都是用來執行執行緒池任務的,它們最主要的區別是,submit() 方法可以接收執行緒池執行的返回值,而 execute() 不能接收返回值。
  • sumbit 之所以可以接收返回值,是因為引數中可以傳遞:Callable task,而通過 callable 建立的執行緒任務有返回值並且可以丟擲異常。
/**
 * execute VS sumbin
 * execute 提交任務沒有返回值
 * submit 提交任務有返回值
 */
@Test
public void test3() throws ExecutionException, InterruptedException {
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 10, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(20));
    // execute
    executor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Hello, execute");
        }
    });

    // submit 使用
    Future<String> future = executor.submit(new Callable<String>() {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("Hello, submit");
            return "submit success";
        }
    });
    System.out.println(future.get());
}
  • 它們的另一個區別是 execute() 方法屬於 Executor 介面的方法,而 submit() 方法則是屬於 ExecutorService 介面的方法。

執行緒池的使用:

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author xiandongxie
 */
public class ThreadPool {

    //引數初始化 返回Java虛擬機器可用的處理器數量
//    private static final int CPU_COUNT = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
    private static final int CPU_COUNT = 2;
    //核心執行緒數量大小
    private static final int corePoolSize = Math.max(2, Math.min(CPU_COUNT - 1, 4));
    //執行緒池最大容納執行緒數
    private static final int maximumPoolSize = CPU_COUNT * 2 + 1;
    //執行緒空閒後的存活時長
    private static final int keepAliveTime = 30;

    //任務過多後,儲存任務的一個阻塞佇列
    BlockingQueue<Runnable> workQueue = new SynchronousQueue<>();

    //執行緒的建立工廠
    ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactory() {
        private final AtomicInteger mCount = new AtomicInteger(1);

        public Thread newThread(Runnable r) {
            return new Thread(r, "AdvacnedAsyncTask #" + mCount.getAndIncrement());
        }
    };

    //執行緒池任務滿載後採取的任務拒絕策略: 不執行新任務,直接丟擲異常,提示執行緒池已滿
    RejectedExecutionHandler rejectHandler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();

    //執行緒池物件,建立執行緒
    ThreadPoolExecutor mExecute = new ThreadPoolExecutor(
            corePoolSize,
            maximumPoolSize,
            keepAliveTime,
            TimeUnit.SECONDS,
            workQueue,
            threadFactory,
            rejectHandler
    );

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start ..... \nCPU_COUNT = " + CPU_COUNT + "\tcorePoolSize=" + corePoolSize + "\tmaximumPoolSize=" + maximumPoolSize);
        
        ThreadPool threadPool = new ThreadPool();
        ThreadPoolExecutor execute = threadPool.mExecute;
        // 預啟動所有核心執行緒
        execute.prestartAllCoreThreads();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            execute.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\tstart..." + System.currentTimeMillis());
                    try {
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\tend..." + System.currentTimeMillis());
                }
            });
        }
        execute.shutdown();
        
        System.out.println("main end .....");
    }
}

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