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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
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