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实现原理

线程池的组成

提交Job的处理流程：

核心代码

public void execute(Runnable command) {
  if (command == null) throw new NullPointerException();
  // 如果线程数小于核心工作线程数, 则创建线程并执行当前任务
  if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
    // 如线程数大于等于核心工作线程数或线程创建失败, 则将当前任务放到任务队列中.
    if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
      if (runState != RUNNING || poolSize == 0) ensureQueuedTaskHandled(command);
    }
    // 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列, 并且当前线程数量小于最大工作线程数,
    // 则创建一个线程执行任务.
    else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
      // 抛出RejectedExecutionException异常
      reject(command); // is shutdown or saturated
  }
}

工作线程worker数量低于核心工作线程数corePoolSize时会优先创建一个工作线程worker处理job, 处理成功则返回.
工作线程worker数量高于核心工作线程数时会优先把job放入到任务队列, 放入队列成功时处理结束.
入队失败会识别工作线程数是否还小于最大工作线程数maximumPoolsize, 小于的话也会新创建一个工作线程worker处理job.
饱和策略

此外, 运行过程中, 更新核心工作线程数时, 若发现扩容, 会增加工作线程数.

备注:

Java中的线程与操作系统的线程是一一对应的
添加新线程需要获得全局锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();, 因此, 当工作线程work数量大于核心工作线程数corePoolSize时, 优先放入任务队列
只要工作线程达不到corePoolSize, 不管是否线程空闲, 都会创建新线程
调用prestartAllCoreThreads会初始化所有的核心线程, 没有预热期, 响应快, 但空载浪费资源
向任务队列添加任务, 不需要获取全局锁, 效率高
工作线程的复用: 执行完一个任务, 不断从任务队列取任务, 避免因创建和销毁操作系统线程带来的性能消耗
获取全局锁, 是性能性能瓶颈, corePoolSize是预热

工作线程的销毁

满足下面条件会销毁:

任务队列里没有job并且工作线程worker数量超过了核心工作线程数corePoolSize.
任务队列里没有job并且允许工作线程数量小于核心工作线程参数为true, 此场景会至少保留一个工作线程线程.

工作线程空闲后, 最长等待keepAliveTime

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

用给定的初始参数和默认的线程工厂及饱和策略创建新的 ThreadPoolExecutor.
使用 Executors 工厂方法之一比使用此通用构造方法方便得多, 但是阿里巴巴Java规约不推荐使用, 见下文

参数:
- corePoolSize - 池中所保存的线程数, 包括空闲线程.
- maximumPoolSize - 池中允许的最大线程数.
- keepAliveTime - 当线程数大于核心时, 此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间.
- unit - keepAliveTime 参数的时间单位.
- workQueue - 执行前用于保持任务的队列. 此队列仅保持由 execute 方法提交的 Runnable 任务.
抛出:
- IllegalArgumentException - 如果 corePoolSize 或 keepAliveTime 小于零, 或者 maximumPoolSize 小于或等于零, 或者 corePoolSize 大于 maximumPoolSize.
- NullPointerException - 如果 workQueue 为 null

工作线程的存储

使用了HashSet来存储工作线程worker, 通过可重入锁ReentrantLock对其进行并发保护. 每个worker都是一个Runnable接口.

/**
 * Set containing all worker threads in pool. Accessed only when
 * holding mainLock.
 */
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

任务队列 runnableTaskQueue

线程池中的队列采用的是BlockingQueue

ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列, 此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序.
LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列, 此队列按FIFO排序元素, 吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue. 静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列.
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列. 每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作, 否则插入操作一直处于阻塞状态, 吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue, 静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列.
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列.

线程工厂 ThreadFactory

设置创建线程的工厂, 通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字. 使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字, 代码如下.

1	newThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

RejectedExecutionHandler（饱和策略）

当队列和线程池都满了, 说明线程池处于饱和状态, 那么必须采取一种策略处理提交的新任务. 这个策略默认情况下是 AbortPolicy , 表示无法处理新任务时抛出异常. 在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略.

AbortPolicy ：直接抛出异常.
CallerRunsPolicy ：只用调用者所在线程来运行任务.
DiscardOldestPolicy ：丢弃队列里最近的一个任务, 并执行当前任务.
DiscardPolicy ：不处理, 丢弃掉.

当然, 也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略. 如记录日志或持久化存储不能处理的任务.

/**
 * 线程池异常处理类:
 * 任务执行失败, 持久化到数据库
 * @author  averyzhang
 */
public class MyRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler {

	@Override
	public void rejectedExecution(Runnable task, ThreadPoolExecutor executor) {
    System.out.println("Begin exception handler-----------");
    //执行失败任务
    CachingOnFirstOpenRunnable coor = (CachingOnFirstOpenJob)task;
    List<CachingEntity> list = coor.getLastData();
    CachingDaoUtils.save(list);
    //打印线程池的对象
    System.out.println("The pool RejectedExecutionHandler = "+executor.toString());
	}
}

提交任务: submit与execute

execute 没有返回值

submit 可以通过 Future 接口, 获取任务执行的结果: 线程池会返回一个future类型的对象, 通过这个 future对象可以判断任务是否执行成功, 并且可以通过future的get()方法来获取返回值, get()方法会阻塞当前线程直到任务完成, 而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回, 这时候有可能任务没有执行完.

关闭: shutdown与shutdownNow

原理是遍历线程池中的工作线程, 然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程, 所以无法响应中断的任务可能永远无法终止.

shutdownNow首先将线程池的状态设置成 STOP, 然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程, 并返回等待执行任务的列表
shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态, 然后中断所有没有正在执行任务的线程

获取线程的关闭状态:

调用两个关闭方法, isShutdown方法就会返回true. 当所有的任务都已关闭后, 才表示线程池关闭成功, 这时调用isTerminaed方法会返回true.

至于应该调用哪一种方法来关闭线程池, 应该由提交到线程池的任务特性决定, 通常调用shutdown方法来关闭线程池, 如果任务不一定要执行完, 则可以调用shutdownNow方法.

优化配置

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理:

CPU密集型任务应配置尽可能小的线程, 如配置Ncpu+1个线程的线程池
IO密集型任务线程并不是一直在执行任务, 则应配置尽可能多的线程, 如2*Ncpu
混合型的任务, 如果可以拆分, 将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务, 只要这两个任务执行的时间相差不是太大, 那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量. 如果这两个任务执行时间相差太大, 则没必要进行分解.
可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数
如果任务很多, 并且每个任务执行的时间比较短, 可以调大keepAliveTime时间, 提高线程的利用率.
优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理. 它可以让优先级高的任务先执行. 优先级低的任务可能永远不能执行.
建议使用有界队列. 有界队列能增加系统的稳定性和预警能力, 可以根据需要设大一点：如果采用无解队列, 当任务无法处理引起堆积, 系统撑爆, 殃及其他业务

通常基于几个维度进行：待处理工作job数、线程池定义的最大最小工作线程数、工作线程闲置时间.

监控

通过线程池提供的参数进行监控, 在监控线程池的时候可以使用以下属性.

taskCount：线程池需要执行的任务数量.
completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量, 小于或等于taskCount.
largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量. 通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过. 如该数值等于线程池的最大大小, 则表示线程池曾经满过.
getPoolSize：线程池的线程数量. 如果线程池不销毁的话, 线程池里的线程不会自动销毁, 所以这个大小只增不减.
getActiveCount：获取活动的线程数. 通过扩展线程池进行监控.
通过继承线程池来自定义线程池, 重写线程池的 beforeExecute、afterExecute和terminated方法, 可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控. 例如, 监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等. 这几个方法在线程池里是空方法.

1
2
3

protected void beforeExecute(Thread t,Runnable r) {

}

sample

public class MyScheduledExecutorService extends ScheduledThreadPoolExecutor {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MyScheduledExecutorService.class);

    public TableauScheduledExecutorService(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, threadFactory, handler);
    }

    public TableauScheduledExecutorService(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        super(corePoolSize, threadFactory);
    }

    @Override
    protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
        logger.info("############# before execute \n" + currentStatus());
    }

    @Override
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        logger.info("############# after execute \n" + currentStatus());
    }

    @Override
    protected void terminated() {
        logger.info("############# terminated \n" + currentStatus());
    }

    private String currentStatus() {
        // 需要执行的任务数目
        final long taskCount = getTaskCount();
        // 执行完成的任务数目
        final long completedTaskCount = getCompletedTaskCount();
        // 线程池最大线程数量
        final int largestPoolSize = getLargestPoolSize();
        // 线程池线程数量
        final int poolSize = getPoolSize();
        // 活动线程数量
        final int activeCount = getActiveCount();

        return "[要执行任务:" + taskCount + ",完成:" + completedTaskCount + ",线程池最大数量:" + largestPoolSize +
                ",当前线程数量:" + poolSize + ",活动线程数量:" + activeCount + "]";
    }
}

TODO 等待关闭

Alibaba Java 规约

线程池不允许使用Executors去创建, 而是通过ThreadPoolExecutor的方式, 这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则, 规避资源耗尽的风险. 说明：Executors各个方法的弊端：
1）newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor:
主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存, 甚至OOM.
2）newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:
主要问题是线程数最大数是Integer.MAX_VALUE, 可能会创建数量非常多的线程, 甚至OOM.

Positive example 1：

1
2

//org.apache.commons.lang3.concurrent.BasicThreadFactory
ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1, new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("example-schedule-pool-%d").daemon(true).build());

Positive example 2：

ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
.setNameFormat("demo-pool-%d").build();

//Common Thread Pool
ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

pool.execute(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()));
pool.shutdown();//gracefully shutdown

Positive example 3：

<bean id="userThreadPool"
class="org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor">
	<property name="corePoolSize" value="10" />
	<property name="maxPoolSize" value="100" />
	<property name="queueCapacity" value="2000" />

	<property name="threadFactory" value= threadFactory />
	<property name="rejectedExecutionHandler">
		<ref local="rejectedExecutionHandler" />
	</property>
</bean>

1 2	//in code userThreadPool.execute(thread);

线程池的关闭

等待关闭超时

next…TODO

Future接口
任务队列的实现
ArrayBlockingQueue
LinkedBlockingQueue
SynchronousQueue
PriorityBlockingQueue
线程池的底层实现
guava与线程工厂的使用
线程关闭与中断: 强制关闭与响应中断
Java获取设备参数的API
连接池

Guadazi

Java中的线程池原理