Java多线程系列--“JUC线程池”02之 线程池原理(一)

2023年11月23日 330次阅读 来源: Hermioner

 

ThreadPoolExecutor简介

ThreadPoolExecutor是线程池类。对于线程池，可以通俗的将它理解为”存放一定数量线程的一个线程集合。

Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor，它是线程池的实现类，主要由下列4个组件构成。

  • ·corePool：核心线程池的大小。
  • ·maximumPool：最大线程池的大小。
  • ·BlockingQueue：用来暂时保存任务的工作队列。
  • ·RejectedExecutionHandler：当ThreadPoolExecutor已经关闭或ThreadPoolExecutor已经饱和 时（达到了最大线程池大小且工作队列已满），execute()方法将要调用的Handler。

·通过Executor框架的工具类Executors，可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor。
·FixedThreadPool。
·SingleThreadExecutor。
·CachedThreadPool。

 

 

ThreadPoolExecutor数据结构

ThreadPoolExecutor的数据结构如下图所示：

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各个数据在ThreadPoolExecutor.java中的定义如下：

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// 阻塞队列。
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
// 互斥锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
// 线程集合。一个Worker对应一个线程。
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// “终止条件”，与“mainLock”绑定。
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
// 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。
private int largestPoolSize;
// 已完成任务数量
private long completedTaskCount;
// ThreadFactory对象，用于创建线程。
private volatile ThreadFactory threadFactory;
// 拒绝策略的处理句柄。
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
// 保持线程存活时间。
private volatile long keepAliveTime;

private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
// 核心池大小
private volatile int corePoolSize;
// 最大池大小
private volatile int maximumPoolSize;

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1. workers
    workers是HashSet<Work>类型，即它是一个Worker集合。而一个Worker对应一个线程，也就是说线程池通过workers包含了”一个线程集合”。当Worker对应的线程池启动时，它会执行线程池中的任务；当执行完一个任务后，它会从线程池的阻塞队列中取出一个阻塞的任务来继续运行。
    wokers的作用是，线程池通过它实现了”允许多个线程同时运行”。

2. workQueue
    workQueue是BlockingQueue类型，即它是一个阻塞队列。当线程池中的线程数超过它的容量的时候，线程会进入阻塞队列进行阻塞等待。
    通过workQueue，线程池实现了阻塞功能。

3. mainLock
    mainLock是互斥锁，通过mainLock实现了对线程池的互斥访问。

4. corePoolSize和maximumPoolSize
    corePoolSize是”核心池大小“，maximumPoolSize是”最大池大小“。它们的作用是调整”线程池中实际运行的线程的数量”。
    例如，当新任务提交给线程池时(通过execute方法)。
          — 如果此时，线程池中运行的线程数量< corePoolSize，则创建新线程来处理请求。
          — 如果此时，线程池中运行的线程数量> corePoolSize，但是却< maximumPoolSize；则仅当阻塞队列满时才创建新线程。
          如果设置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，则创建了固定大小的线程池。如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值（如 Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。在大多数情况下，核心池大小和最大池大小的值是在创建线程池设置的；但是，也可以使用 setCorePoolSize(int) 和 setMaximumPoolSize(int) 进行动态更改。

5. poolSize
    poolSize是当前线程池的实际大小，即线程池中任务的数量。

6. allowCoreThreadTimeOut和keepAliveTime
    allowCoreThreadTimeOut表示是否允许”线程在空闲状态时，仍然能够存活”；而keepAliveTime是当线程池处于空闲状态的时候，超过keepAliveTime时间之后，空闲的线程会被终止。

7. threadFactory
    threadFactory是ThreadFactory对象。它是一个线程工厂类，”线程池通过ThreadFactory创建线程”。

8. handler
    handler是RejectedExecutionHandler类型。它是“线程池拒绝策略”的句柄，也就是说”当某任务添加到线程池中，而线程池拒绝该任务时，线程池会通过handler进行相应的处理”。

 FixedThreadPool

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对图10-4的说明如下。
1）如果当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务。
2）在线程池完成预热之后（当前运行的线程数等于corePoolSize），将任务加入 LinkedBlockingQueue。
3）线程执行完1中的任务后，会在循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。
FixedThreadPool使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为 Integer.MAX_VALUE）。

使用无界队列作为工作队列会对线程池带来如下影响。

1）当线程池中的线程数达到corePoolSize后，新任务将在无界队列中等待，因此线程池中 的线程数不会超过corePoolSize。
2）由于1，使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数。
3）由于1和2，使用无界队列时keepAliveTime将是一个无效参数。
4）由于使用无界队列，运行中的FixedThreadPool（未执行方法shutdown()或 shutdownNow()）不会拒绝任务（不会调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法）。

 

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与 FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工 作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列 对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同，这里就不赘述了。

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对图10-5的说明如下。
1）如果当前运行的线程数少于corePoolSize（即线程池中无运行的线程），则创建一个新线
程来执行任务。
2）在线程池完成预热之后（当前线程池中有一个运行的线程），将任务加入LinkedBlockingQueue。
3）线程执行完1中的任务后，会在一个无限循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来
执行。

CachedThreadPool

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0，即corePool为空；maximumPoolSize被设置为 Integer.MAX_VALUE，即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L，意味着 CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，空闲线程超过60秒后将会被
终止。
FixedThreadPool和SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的 工作队列。CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列，但 CachedThreadPool的maximumPool是无界的。这意味着，如果主线程提交任务的速度高于 maximumPool中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下， CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

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对图10-6的说明如下。
1）首先执行SynchronousQueue.offer（Runnable task）。如果当前maximumPool中有空闲线程 正在执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS），那么主线程执行 offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，execute()方 法执行完成；否则执行下面的步骤2）。
2）当初始maximumPool为空，或者maximumPool中当前没有空闲线程时，将没有线程执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这种情况下，步骤1）将失 败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务，execute()方法执行完成。
3）在步骤2）中新创建的线程将任务执行完后，会执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这个poll操作会让空闲线
程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务（主线程执 行步骤1）），那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。由于 空闲60秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。
前面提到过，SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一 个线程的对应移除操作，反之亦然。CachedThreadPool使用SynchronousQueue，把主线程提交的 任务传递给空闲线程执行。CachedThreadPool中任务传递的示意图如图10-7所示。

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参考文献：

《Java并发编程艺术》

https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3509941.html

    原文作者：Hermioner
    原文地址: https://www.cnblogs.com/Hermioner/p/9941427.html
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