Java多线程系列--“JUC线程池”01之 线程池架构

2023年8月25日 361次阅读 来源: Hermioner

一. Executor框架

在Java中，使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销，如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行，这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时，为每一个任务创建一个新线程来执行，这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。

Java的线程既是工作单元，也是执行机制。从JDK 5开始，把工作单元与执行机制分离开 来。工作单元包括Runnable和Callable，而执行机制由Executor框架提供。

1. Executor框架的两级调度模型

在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器 （Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到 硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图如图10-1所示

从图中可以看出，应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统
内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

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2. Executor框架的结构

Executor框架主要由3大部分组成如下。

·任务。包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口。

·任务的执行。包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的 ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口 （ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）。

·异步计算的结果。包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

Executor框架包含的主要的类与接口如图所示。

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下面是这些类和接口的简介

  • ·Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。
  • ·ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。
  • ·ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执 行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更灵活，功能更强大。
  • ·Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
  • ·Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

 下面是Executor框架的使用示意图：

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  • 主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一 个Runnable对象封装为一个Callable对象（Executors.callable（Runnable task）或 Executors.callable（Runnable task，Object resule））。
  • 然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行（ExecutorService.execute（Runnable command））；或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行（ExecutorService.submit（Runnable task）或ExecutorService.submit（Callable<T>task））。
  • 如果执行ExecutorService.submit（…），ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象 （到目前为止的JDK中，返回的是FutureTask对象）。由于FutureTask实现了Runnable，程序员也可 以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。
  • 最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行
  • FutureTask.cancel（boolean mayInterruptIfRunning）来取消此任务的执行。

 3. Executor框架的成员

本节将介绍Executor框架的主要成员：ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、 Future接口、Runnable接口、Callable接口和Executors。

（1）ThreadPollExecutor

ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建3种类型的 ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。
下面分别介绍这3种ThreadPoolExecutor。

1)FixedThreadPool

FixedThreadPool适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。

2)SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务；并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景。

 3)CachedThreadPool

CachedThreadPool是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。

（2）ScheduledThreadPoolExecutor(待更新）

（3）Future接口

Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable 接口或Callable接口的实现类提交（submit）给ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向我们 返回一个FutureTask对象。下面是对应的API。

<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
 <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) 
Future<> submit(Runnable task)

有一点需要读者注意，到目前最新的JDK 8为止，Java通过上述API返回的是一个 FutureTask对象。但从API可以看到，Java仅仅保证返回的是一个实现了Future接口的对象。在将 来的JDK实现中，返回的可能不一定是FutureTask。

 （4）Runnable接口和Callable接口

Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结
果。
除了可以自己创建实现Callable接口的对象外，还可以使用工厂类Executors来把一个 Runnable包装成一个Callable。

二. 线程池的实现原理

当向线程池提交一个任务之后，线程池是如何处理这个任务呢？看下面的流程图。

从图中可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

1）线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则

创建一个新的工作
线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。

2）线程池判断工作队列是否已经满。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）线程池判断线程池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。

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ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

1）如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤
需要获取全局锁）。
2）如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
3）如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执
行这一步骤需要获取全局锁）。
4）如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

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参考文献

《Java并发编程的艺术》

    原文作者：Hermioner
    原文地址: https://www.cnblogs.com/Hermioner/p/9941406.html
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