Java线程池的实现原理

1.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:

// runState is stored in the high-order bits
volatile int runState;
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;

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。

2.任务的执行

在了解将任务提交给线程池到任务执行完毕整个过程之前,我们先来看一下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

下面解释下一下构造器中各个参数的含义:

  • corePoolSize:核心池的大小,这个参数与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,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,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性,以及TimeUtil的源码展示
    • 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;
    LinkedBlockingQueue;
    SynchronousQueue;

    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

3.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

下面是这2个方法的实现:

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;
}

注意上面传进去的参数是null,根据第2小节的分析可知如果传进去的参数为null,则最后执行线程会阻塞在getTask方法中的

r = workQueue.take();

即等待任务队列中有任务。

4.任务缓存队列及排队策略

在前面我们多次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<Runnable>,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。

5.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

6.线程池的关闭

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

7.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。

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