java线程池是如何复用线程_线程池如何复用一个线程-- ThreadPoolExecutor的实现（未完）...

超、凢脫俗 2022-11-10 05:23 184阅读 0赞

任务是一组逻辑工作单元，而线程则是使任务异步执行的机制。在Java中，Runnable对象代表一个任务，Thread对象负责创建一个线程执行这个任务。

前提：1. 程序需要处理大量任务

2. 任务的执行时间相对创建线程和销毁的时间较短

方法1:

while (ture) \{

Socket connection = socket.accept();

handleTask(connection); //单线程处理所用任务

方法2:

while (true) \{

final Socket connection = socket.accept();

new Thread(() -> \{handleTask(connection);\}).start(); 每个任务一个线程处理

两种方法的缺点：1. 串行执行的问题在于响应慢，在多核处理器上吞吐量小。

2. 无限创建线程导致资源消耗大，可创建线程数有限制，恶意提交任务会导致程序负载过高。

Java的第3种解决方案是线程池，它是兼顾资源和并发的处理方案。

线程池的关键是任务的执行策略，复用线程。

执行策略定义了：

~ 任务在哪个线程上运行

~ 任务按照什么顺序执行(FIFO, LIFO, 优先级)

~ 有多少个任务可以并发执行

~ 队列中有多少个任务等待执行

~ 系统由于过载而需要拒绝一个任务时，选择哪个任务，如何通过程序有任务被拒绝

~ 任务执行前后，应该进行哪些动作。

线程池的优势：

1. 重用线程，减少了创建和销毁线程的开销，在Window和Linux，Java使用一个线程对应一个轻量级进程的实现。

2. 某些情况下，任务到达时，如果有空闲线程，可以立即执行任务，而不需要等待创建新线程，提高响应速度。

3. 线程池的大小可以调节，以便处理器保持忙碌状态，提高效率。

4. 通过将任务的提交和执行分离，可以根据硬件资源选择最佳的执行策略。

线程池的实现：

在java.util.concurrent包中，ThreadPoolExecutor是一个线程池实现。

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图中的三个接口：

Executor：一个运行新任务的简单接口；public interfaceExecutor \{

/\*\*\* 在未来的某个时间执行任务command. 这个任务可能在一个新的线程中执行 ，

\* 或者在线程池中的线程执行，或者一个调用线程中执行(即在main中运行)。

\* 取决于线程池的具体实现

\*@param需要执行的任务\*/

voidexecute(Runnable command);

ExecutorService：扩展Executor接口

public interface ExecutorService extendsExecutor \{voidshutdown(); // 停止接受任务。

ListshutdownNow(); // 尝试停止所有活动的任务booleanisShutdown();booleanisTerminated();boolean awaitTermination(longtimeout, TimeUnit unit)throwsInterruptedException; Future submit(Callabletask);

Futuresubmit(Runnable task, T result);

Future>submit(Runnable task); List> invokeAll(Collection extends Callable>tasks)throwsInterruptedException; List> invokeAll(Collection extends Callable>tasks,longtimeout, TimeUnit unit)throwsInterruptedException; T invokeAny(Collection extends Callable>tasks,longtimeout, TimeUnit unit)throwsInterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

ScheduledExecutorService：扩展了ExecutorService。支持Future和定期执行任务。

ThreadPoolExceutor源码：

1. 关键field

// 线程池状态初始化为处于运行状态，线程数为0.

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); // 储存运行状态和线程数(刚创建的线程处理RUNNING，0个活动线程。private static final int COUNT\_BITS = Integer.SIZE - 3; // Integer.SIZE = 32 COUNT\_BITS = 29

// 线程池的线程数private static final int CAPACITY = (1 << COUNT\_BITS) - 1; // 0x0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111//运行状态储存在高位中private static final int RUNNING = -1 <

private static final int TERMINATED = 3 << COUNT\_BITS; // 0x0110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

private static int runStateOf(int c) \{ return c & ~CAPACITY; \} // 获取运行状态

private static int workerCountOf(int c) \{ return c & CAPACITY; \} // 获取线程数

private static int ctlOf(int rs, int wc) \{ return rs | wc; \} // 获取运行状态和线程数

线程池的五种状态：

RUNNING: 运行状态，接受新提交的任务，并且可以处理队列中的任务。

SHUTDOWN: 关闭状态，不再接受新提交的任务，可以处理队列中的任务。在线程池处于

RUNNING状态时，调用shutdown()方法会使线程池进入到此状态。

STOP：停止状态，不再接受新提交的任务，也不处理队列中的任务，并且中断运行中的任务。

在RUNNING或SHUTDOWN状态时，调用shutdownNow()方法使线程池进入到该状态。

TIDYING： 所有任务都己终止，workerCount为0, 转换到TIDYING状态的线程池将运行terminate()方法。

TERMINATE: 终止状态，terminated()方法调用后进入此状态。

private final BlockingQueueworkQueue;private final HashSet workers = new HashSet<>();private volatile ThreadFactory threadFactory;

workQueue用于保存任务

workers用于保存工作线程

threadFactory用于生产线程。

public ThreadPoolExecutor(intcorePoolSize,intmaximumPoolSize,longkeepAliveTime,

TimeUnit unit,

BlockingQueueworkQueue,

ThreadFactory threadFactory,

RejectedExecutionHandler handler

) \{if (corePoolSize < 0 ||maximumPoolSize<= 0 ||maximumPoolSize< corePoolSize ||keepAliveTime< 0)throw newIllegalArgumentException();if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)throw newNullPointerException();this.acc = System.getSecurityManager() == null ?

null: AccessController.getContext();this.corePoolSize =corePoolSize;this.maximumPoolSize =maximumPoolSize;this.workQueue =workQueue;this.keepAliveTime =unit.toNanos(keepAliveTime);this.threadFactory =threadFactory;this.handler =handler;

corePoolSize: 线程池核心线程数量，作用：

\* 当新任务在execute()提交时，根据corePoolSize去判断任务如何执行：

\-> 如果线程池中线程小于corePoolSize，创建新的线程处理此任务，即使线程池中有空闲线程

\-> 如果线程池中线程数大于等于corePoolSize且workQueue未满时，任务添加到workQueue中。

\-> 如果线程池中线程数大于等于corePoolSize且workQueue己满时，创建新线程处理任务。

\-> 如果线程池中线程数大于等于maximunPoolSize，且workQueue已满时，通过指定的handler策略处理任务(有四种已定义的策略)

maximumPoolSize：最大线程数量

workQueue：未处理的任务队列

keepAliveTime：当线程池中的线程数量大于corePoolSize的时候，多余的线程不会立即销毁，而是会等待，

直到等待的时间超过了　keepAliveTime

threadFactory：用于创建新线程，通过ThreadFactory可以

handler：当线程池的的线程数等于maximumPoolSize且workQueue己满时，使用handler处理新提交的线程

execute方法，实现执行任务的逻辑。

public voidexecute(Runnable command) \{if (command == null)throw newNullPointerException();/\*\* 分3步处理任务:

\* 1.线程数小于corePoolSize时，创建新线程执行此任务。

\* addWorker 方法自动检查runState和workerCount

\* addWorker因为不能添加线程时，返回false

\* 2. 如果可以添加到队列, 我们仍要再次检查线程池的状态

\* (因为线程池中可能没有线程 或者在进入此方法时，线程池被关闭了。

\*　如果线程池不处于RUNNING，清除刚才添加的任务

\* 如果处于RUNNING且workerCount=0,创建新线程。

\* 3.如果不能将任务添加到队列, 就尝试创建一个新的线程。如果创建失败，拒绝任务\*/

int c =ctl.get(); // 获取线程池的运行状态和线程数if (workerCountOf(c)

// 第二个参数表示，限制添加线程的数量由谁决定

// true 由corePoolSize

// false 由maximumPoolSizeif (addWorker(command, true))return; // 添加成功

c=ctl.get(); // 添加线程失败时，重新获取运行状态和线程数

// 线程池处于RUNNING状态且任务成功添加到workQueueif (isRunning(c) &&workQueue.offer(command)) \{int recheck =ctl.get(); // 重新获取运行状态和线程数,

// 重新判断运行状态，如果不是处于运行状态，移除上面调用workQueue.offer(command)时，添加的任务。

// 并且拒绝此任务

if (! isRunning(recheck) &&remove(command))

reject(command);

// 如果处于运行状态，且线程数为0时else if (workerCountOf(recheck) == 0)

addWorker(null, false); // 在线程中添加线程去执行此任务。

// 如果线程池不是运行状态或者添加任务失败，且创建线程的失败时，else if (!addWorker(command, false))

reject(command); // 拒绝此任务

addWrok方法，实现增加线程的逻辑

检查是否可以根据当前线程池状态和给定边界(核心或最大线程数)添加新工作线程。 如果是，则相应地调整工作线程的计数，并且如果可能，创建并启动新工作程序，将firstTask作为其第一个任务运行。 如果线程池已停止或可以关闭，则此方法返回false。 如果线程工厂在询问时无法创建线程，它也会返回false。 如果线程创建失败，或者由于线程工厂返回null，或者由于异常(通常是Thread.start()中的OutOfMemoryError)会回滚

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) \{

retry:for(;;) \{int c =ctl.get();int rs =runStateOf(c); //获取运行状态

// 运行状态为RUNNING时，可以执行任务，跳出if

// 处于SHUTDOWN状态，fisrtTask为null,workQueue不为空时，跳出if if (rs >= SHUTDOWN && // 不处于RUNNING,继续判断，否则跳出if

! (rs == SHUTDOWN && // 如果处于SHUTDOWN状态，继续判断，否则返回falsefirstTask== null && // fisrtTask为空，继续判断，否则返回false

!workQueue.isEmpty())) // workQueue为空时，返回false，否则跳出ifreturn false;for(;;) \{int wc =workerCountOf(c);if (wc >= CAPACITY || // 工作线程数大于CAPACITY时，返回falsewc>= (core ?corePoolSize : maximumPoolSize)) // 小于CAPACITY，大于core或max时，返回falsereturn false;if(compareAndIncrementWorkerCount(c)) // 如果添加线程成功，跳出第一个for循环breakretry;

c= ctl.get(); //Re-read ctl 添加失败，重新读取状态

if (runStateOf(c) !=rs) // 不是RUNNING状态， 重新跑到第一个for循环。continueretry;//else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop

\}boolean workerStarted = false;boolean workerAdded = false;

Worker w= null;try\{

w= newWorker(firstTask); // 用firstTask创建一个新的Workerfinal Thread t =w.thread; // Worker利用ThreadFactory创建一个线程对象储存在其实例thread中if (t != null) \{final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;

mainLock.lock();try\{//Recheck while holding lock.//Back out on ThreadFactory failure or if//shut down before lock acquired.

int rs =runStateOf(ctl.get());

// 如果处于运行状态，或者 处于关闭状态但任务为null时if (rs < SHUTDOWN || (rs== SHUTDOWN && firstTask == null)) \{if (t.isAlive()) //判断线程是否处于已经调用start()，如果是，抛出异常

throw newIllegalThreadStateException();

workers.add(w); // 将工作线程添加到Hashset中int s =workers.size();if (s >largestPoolSize) // 记录线程池中出现过最大的线程数

largestPoolSize=s;

workerAdded= true;

\}finally\{

mainLock.unlock();

\}if(workerAdded) \{

t.start(); // 启动线程， t.start()调用的是Worker的run方法，见worker的构造器。

workerStarted= true;