简介

针对同类任务,可以使用多线程来加速任务的执行,例如计算1-40的阶乘的和。传统的方式是,递归计算,一直叠加和,但是很明显只有一个线程会很慢。如果使用多线程来做,就是针对任意数n,使用一个线程去计算,并得到最终的结果,最后把所有线程的结果相加。

ThreadPoolExector类

4个构造方法:

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

参数的含义:

  • corePoolSize:核心池的大小,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法,从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中;
  • maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;
  • keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize,即当线程池中的线程数大于corePoolSize时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0;
  • unit:参数keepAliveTime的时间单位

  • workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少,一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

  • threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程;

  • handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:

    ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 
    ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。 
    ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
    ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务 
    

AbstractExecutorService是一个抽象类,它实现了ExecutorService接口

public interface ExecutorService extends Executor {
    void shutdown();
    boolean isShutdown();
    boolean isTerminated();
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
    Future<?> submit(Runnable task);
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Executor是一个顶层接口,在它里面只声明了一个方法execute(Runnable),返回值为void,参数为Runnable类型,从字面意思可以理解,就是用来执行传进去的任务的;然后ExecutorService接口继承了Executor接口,并声明了一些方法:submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等;抽象类AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口,基本实现了ExecutorService中声明的所有方法;然后ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService。

在ThreadPoolExecutor类中有几个非常重要的方法:

execute()
submit()
shutdown()
shutdownNow()

线程池状态

在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量,另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态:

volatile int runState;
static final int RUNNING    = 0;
static final int SHUTDOWN   = 1;
static final int STOP       = 2;
static final int TERMINATED = 3;

runState表示当前线程池的状态,它是一个volatile变量用来保证线程之间的可见性;下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值。当创建线程池后,初始时,线程池处于RUNNING状态;如果调用了shutdown()方法,则线程池处于SHUTDOWN状态,此时线程池不能够接受新的任务,它会等待所有任务执行完毕;如果调用了shutdownNow()方法,则线程池处于STOP状态,此时线程池不能接受新的任务,并且会去尝试终止正在执行的任务;当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态,并且所有工作线程已经销毁,任务缓存队列已经清空或执行结束后,线程池被设置为TERMINATED状态。

任务的执行

ThreadPoolExecutor类中其他的一些比较重要成员变量:

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              //任务缓存队列,用来存放等待执行的任务
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   //线程池的主要状态锁,对线程池状态(比如线程池大小
                                                              //、runState等)的改变都要使用这个锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();  //用来存放工作集
 
private volatile long  keepAliveTime;    //线程存货时间   
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;   //是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile int   corePoolSize;     //核心池的大小(即线程池中的线程数目大于这个参数时,提交的任务会被放进任务缓存队列)
private volatile int   maximumPoolSize;   //线程池最大能容忍的线程数
 
private volatile int   poolSize;       //线程池中当前的线程数
 
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略
 
private volatile ThreadFactory threadFactory;   //线程工厂,用来创建线程
 
private int largestPoolSize;   //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数
 
private long completedTaskCount;   //用来记录已经执行完毕的任务个数

ThreadPoolExecutor.execute()方法解析

在ThreadPoolExecutor类中,最核心的任务提交方法是execute()方法,虽然通过submit也可以提交任务,但是实际上submit方法里面最终调用的还是execute()方法,所以我们只需要研究execute()方法的实现原理即可:

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
            reject(command); // is shutdown or saturated
    }
}

首先,判断提交的任务command是否为null,若是null,则抛出空指针异常;接着是这句,这句要好好理解一下:if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command))

由于是或条件运算符,所以先计算前半部分的值,如果线程池中当前线程数不小于核心池大小,那么就会直接进入下面的if语句块了。如果线程池中当前线程数小于核心池大小,则接着执行后半部分,也就是执行addIfUnderCorePoolSize(command)。如果执行完addIfUnderCorePoolSize这个方法返回false,则继续执行下面的if语句块,否则整个方法就直接执行完毕了。 如果执行完addIfUnderCorePoolSize这个方法返回false,然后接着判断:if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command))。如果当前线程池处于RUNNING状态,则将任务放入任务缓存队列;如果当前线程池不处于RUNNING状态或者任务放入缓存队列失败,则执行:addIfUnderMaximumPoolSize(command)。如果执行addIfUnderMaximumPoolSize方法失败,则执行reject()方法进行任务拒绝处理。

线程池中的线程初始化

默认情况下,创建线程池之后,线程池中是没有线程的,需要提交任务之后才会创建线程。在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程,可以通过以下两个方法办到:

  • prestartCoreThread():初始化一个核心线程;
  • prestartAllCoreThreads():初始化所有核心线程

    public boolean prestartCoreThread() {
    return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null
    }
     
    public int prestartAllCoreThreads() {
    int n = 0;
    while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null
        ++n;
    return n;
    }
    

任务缓存队列及排队策略

在前面我们提到了任务缓存队列,即workQueue,它用来存放等待执行的任务。

workQueue的类型为BlockingQueue,通常可以取下面三种类型:

  • ArrayBlockingQueue:基于数组的先进先出队列,此队列创建时必须指定大小;

  • LinkedBlockingQueue:基于链表的先进先出队列,如果创建时没有指定此队列大小,则默认为Integer.MAX_VALUE;

  • synchronousQueue:这个队列比较特殊,它不会保存提交的任务,而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

任务拒绝策略

当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize,如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略,通常有以下四种策略:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务

线程的关闭

ThreadPoolExecutor提供了两个方法,用于线程池的关闭,分别是shutdown()和shutdownNow(),其中:

  • shutdown():不会立即终止线程池,而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止,但再也不会接受新的任务
  • shutdownNow():立即终止线程池,并尝试打断正在执行的任务,并且清空任务缓存队列,返回尚未执行的任务

线程池容量的动态调整

ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法:setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize(),

  • setCorePoolSize:设置核心池大小
  • setMaximumPoolSize:设置线程池最大能创建的线程数目大小

当上述参数从小变大时,ThreadPoolExecutor进行线程赋值,还可能立即创建新的线程来执行任务

如何合理配置线程池的大小

本节来讨论一个比较重要的话题:如何合理配置线程池大小,仅供参考。

一般需要根据任务的类型来配置线程池大小:

如果是CPU密集型任务,就需要尽量压榨CPU,参考值可以设为 *N*CPU+1;如果是IO密集型任务,参考值可以设置为2**N*CPU;当然,这只是一个参考值,具体的设置还需要根据实际情况进行调整,比如可以先将线程池大小设置为参考值,再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。

代码示例

计算1-n的阶乘和:

package exectors;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * @author linjinbao66@gmail.com
 * @date 2020/6/9
 * 线程池使用
 */
public class MyThreadPoolExecutor {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(30);
        long sum = 0;
        for (long i=1; i<= 40; i++){
            Future<Long> submit = executorService.submit(new Count(i));
            sum += submit.get();
        }
        executorService.shutdown();
        System.out.println("计算完成,结果为:" + sum);
    }


}
class MyTask implements Runnable{
    private int taskNum;
    public MyTask(int num) {
        this.taskNum = num;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("正在执行task "+taskNum);
        try {
            Thread.currentThread().sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("task "+taskNum+"执行完毕");
    }
}

class Count implements Callable<Long>{
    /**
     * 计算 n的阶乘
     */
    private long n;
    Count(long n){
        this.n = n;
        System.out.println("当前计算 " + n + " 的阶乘");
    }

    public long helper(long n){
        if (n==1) return 1;
        return n*helper(n-1);
    }
    @Override
    public Long call() throws Exception {
        return helper(n);
    }
}