线程池与Future

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线程池与Future
线程池与Future

阿里巴巴2021版JDK源码笔记（2月第三版）.pdf

链接：https://pan.baidu.com/s/1XhVcfbGTpU83snOZVu8AXg
提取码：l3gy

1. 线程池的实现原理

调用方不断地向线程池中提交任务；线程池中有一组线程，不断地从队列中取任务，这是一个典型的生产者—消费者模型。

实现一个线程池，主要需要考虑一下几个方面：
- 队列设置多长？如果是无界的，调用方不断地往队列中放任务，可能导致内存耗尽。如果是有界的，当队列满了之后，调用方如何处理？
- 线程池中的线程个数是固定的，还是动态变化的？
- 每次提交新任务，是放入队列？还是开新线程？
- 当没有任务的时候，线程是睡眠一小段时间？还是进入阻塞？如果进入阻塞，如何唤醒？
  
  不使用阻塞队列，只使用一般的线程安全的队列，也无阻塞—唤醒机制。当队列为空时，线程池中的线程只能睡眠一会儿，然后醒来去看队列中有没有新任务到来，如此不断轮询。
  
  不使用阻塞队列，但在队列外部、线程池内部实现了阻塞—唤醒机制。
  
  使用阻塞队列。
2. 线程池的类继承体系
- 有两个核心的类：ThreadPoolExector和ScheduledThreadPoolExecutor，后者不仅可以执行某个任务，还可以周期性地执行任务
- 向线程池中提交的每个任务，都必须实现Runnable接口，通过最上面的Executor接口中的execute（Runnable command）向线程池提交任务
- 在 ExecutorService 中，定义了线程池的关闭接口 shutdown（），还定义了可以有返回值的任务，也就是Callable
3. ThreadPoolExector

3.1 核心数据结构

Worker继承于AQS，也就是说Worker本身就是一把锁
```
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
	private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
    private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
}

private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
    final Thread thread;
    Runnable firstTask;
    volatile long completedTasks;
}
```
3.2 核心配置参数解释

ThreadPoolExecutor在其构造函数中提供了几个核心配置参数，来配置不同策略的线程池
```
 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
}
```
- corePoolSize：在线程池中始终维护的线程个数。
- maxPoolSize：在corePooSize已满、队列也满的情况下，扩充线程至此值。
- keepAliveTime/TimeUnit：maxPoolSize 中的空闲线程，销毁所需要的时间，总线程数收缩回corePoolSize。
- blockingQueue：线程池所用的队列类型。
- threadFactory：线程创建工厂，可以自定义，也有一个默认的
- RejectedExecutionHandler：corePoolSize 已满，队列已满，maxPoolSize 已满，最后的拒绝策略。
3.3 线程池的优雅关闭

而线程池的关闭，较之线程的关闭更加复杂。当关闭一个线程池的时候，有的线程还正在执行某个任务，有的调用者正在向线程池提交任务，并且队列中可能还有未执行的任务。因此，关闭过程不可能是瞬时的，而是需要一个平滑的过渡，这就涉及线程池的完整生命周期管理

生命周期

在JDK 7中，把线程数量（workerCount）和线程池状态（runState）这两个变量打包存储在一个字段里面，即ctl变量。最高的3位存储线程池状态，其余29位存储线程个数

线程池的状态有五种，分别是RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING和TERMINATED。

线程池有两个关闭函数，shutdown（）和shutdownNow（），这两个函数会让线程池切换到不同的状态。在队列为空，线程池也为空之后，进入 TIDYING 状态；最后执行一个钩子函数terminated（），进入TERMINATED状态，线程池才“寿终正寝”。

**正确关闭线程池的步骤 **

线程池并不会立即关闭，接下来需要调用 awaitTermination 来等待线程池关闭。

shutdown（）与shutdownNow（）的区别
- 前者不会清空任务队列，会等所有任务执行完成，后者会直接清空任务队列
- 前者只会中断空闲的线程，后者会中断所有线程。
3.4 任务的提交过程分析
```
public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    //如果当前的线程小于corePoolSize，则开新的线程
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    //如果当前的线程大于或等于corePoolSize，则调用workQueue.offer放入到队列中
    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);
    }//放入队列失败，开启新的线程
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}
//次函数用于开一个新的线程，如果第二个参数core为true，则用corePoolSize作为上界，如果为false，则用maxPoolSize作为上界
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
}
```
3.5 任务的执行过程分析

在上面的任务提交过程中，可能会开启一个新的Worker，并把任务本身作为firstTask赋给该Worker。但对于一个Worker来说，不是只执行一个任务，而是源源不断地从队列中取任务执行，这是一个不断循环的过程
```
final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock(); //在执行任务之前先上锁，
            // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
            // if not, ensure thread is not interrupted.  This
            // requires a recheck in second case to deal with
            // shutdownNow race while clearing interrupt
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();//拿到任务，在执行之前重新检测线程池的状态，如果发现已经关闭，自己给自己发中断信号
            try {
                beforeExecute(wt, task);//钩子函数
                Throwable thrown = null;
                try {
                    task.run();//执行任务代码
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    afterExecute(task, thrown);//钩子函数
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}
```
1. shutdown（）与任务执行过程综合分析
  
  把任务的执行过程和上面的线程池的关闭过程结合起来进行分析，当调用 shutdown（）的时候，可能出现以下几种场景：
  
  当调用shutdown（）的时候，所有线程都处于空闲状态。
  
  当调用shutdown（）的时候，所有线程都处于忙碌状态
  
  场景3：当调用shutdown（）的时候，部分线程忙碌，部分线程空闲。
2. shutdownNow（）与任务执行过程综合分析
  
  和上面的 shutdown（）类似，只是多了一个环节，即清空任务队列。
3.7 线程池的4种拒绝策略

RejectedExecutionHandler 是一个接口，定义了四种实现，分别对应四种不同的拒绝策略，默认是AbortPolicy。
- 让调用者直接在自己的线程里面执行，线程池不做处理 CallerRunsPolicy
- 线程池直接抛出异常 AbortPolicy(默认)
- 线程池直接把任务丢掉，当做什么也没发生 DiscardPolicy
- 把队列中最老的任务删除掉，把该任务放到队列中 DiscardOldestPolicy
```
public interface RejectedExecutionHandler {
	void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}
```
4. Callable与Future

execute（Runnable command）接口是无返回值的，与之相对应的是一个有返回值的接口Future submit（Callable task）

Callable也就是一个有返回值的Runnable，其定义如下所示。
```
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}
```
submit（Callable task）并不是在 ThreadPoolExecutor 里面直接实现的，而是实现在其父类AbstractExecutorService中
```
public Future<?> submit(Runnable task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);//把callable转换为runable
    execute(ftask);
    return ftask;
}
```
Callable其实是用Runnable实现的。在submit内部，把Callable通过FutureTask这个Adapter转化成Runnable，然后通过execute执行

FutureTask是一个Adapter对象。一方面，它实现了Runnable接口，也实现了Future接口；另一方面，它的内部包含了一个Callable对象，从而实现了把Callable转换成Runnable。

5. ScheduledThreadPoolExecut

ScheduledThreadPoolExecutor实现了按时间调度来执行任务，具体而言有两个方面
- 延迟执行任务
- 周期执行任务
AtFixedRate：按固定频率执行，与任务本身执行时间无关。但有个前提条件，任务执行时间必须小于间隔时间，例如间隔时间是5s，每5s执行一次任务，任务的执行时间必须小于5s。

WithFixedDelay：按固定间隔执行，与任务本身执行时间有关。例如，任务本身执行时间是10s，间隔2s，则下一次开始执行的时间就是12s

5.1 延迟执行和周期性执行的原理

ScheduledThreadPoolExecutor继承了ThreadPoolExecutor，这意味着其内部的数据结构和ThreadPooExecutor是基本一样的

周期性执行任务是执行完一个任务之后，再把该任务扔回到任务队列中，如此就可以对一个任务反复执行。

5.2 延迟执行

传进去的是一个Runnable，外加延迟时间delay。在内部通过decorateTask（..）函数把Runnable包装成一个ScheduleFutureTask对象，而DelayedWorkerQueue中存放的正是这种类型的对象，这种类型的对象一定实现了Delayed接口

schedule（）函数本身很简单，就是把提交的 Runnable 任务加上delay时间，转换成ScheduledFutureTask对象，放入DelayedWorkerQueue中。任务的执行过程还是复用的ThreadPoolExecutor，延迟的控制是在DelayedWorkerQueue内部完成的

5.3 周期性执行

和schedule（..）函数的框架基本一样，也是包装一个ScheduledFutureTask对象，只是在延迟时间参数之外多了一个周期参数，然后放入DelayedWorkerQueue就结束了。

6. Executors工具类

concurrent包提供了Executors工具类，利用它可以创建各种不同类型的线程池

在《阿里巴巴Java开发手册》中，明确禁止使用Executors创建线程池，并要求开发者直接使用ThreadPoolExector或ScheduledThreadPoolExecutor进行创建。这样做是为了强制开发者明确线程池的运行策略，使其对线程池的每个配置参数皆做到心中有数，以规避因使用不当而造成资源耗尽的风险
- 单线程
  
  public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); }
- 固定线程数
  
  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); }
- 自适应线程
  
  public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), threadFactory); }
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原文地址：https://www.cnblogs.com/steven158/p/15032182.html

线程池与Future

线程池与Future

1. 线程池的实现原理

2. 线程池的类继承体系

3. ThreadPoolExector

3.1 核心数据结构

3.2 核心配置参数解释

3.3 线程池的优雅关闭

3.4 任务的提交过程分析

3.5 任务的执行过程分析

3.7 线程池的4种拒绝策略

4. Callable与Future

5. ScheduledThreadPoolExecut

5.1 延迟执行和周期性执行的原理

5.2 延迟执行

5.3 周期性执行

6. Executors工具类