Java 線程池原理深入分析

Java 線程池原理

Executor框架的兩級調度模型

在HotSpot VM的模型中，Java線程被一對一映射為本地操作系統線程。JAVA線程啟動時會創建一個本地操作系統線程，當JAVA線程終止時，對應的操作系統線程也被銷毀回收，而操作系統會調度所有線程並將它們分配給可用的CPU。

在上層，JAVA程序會將應用分解為多個任務，然後使用應用級的調度器（Executor）將這些任務映射成固定數量的線程；在底層，操作系統內核將這些線程映射到硬件處理器上。

Executor框架類圖

在前面介紹的JAVA線程既是工作單元，也是執行機制。而在Executor框架中，我們將工作單元與執行機制分離開來。Runnable和Callable是工作單元（也就是俗稱的任務），而執行機制由Executor來提供。這樣一來Executor是基於生產者消費者模式的，提交任務的操作相當於生成者，執行任務的線程相當於消費者。

1、從類圖上看，Executor接口是異步任務執行框架的基礎，該框架能夠支持多種不同類型的任務執行策略。

public interface Executor {

  void execute(Runnable command);
}

Executor接口就提供了一個執行方法，任務是Runnbale類型，不支持Callable類型。

2、ExecutorService接口實現了Executor接口，主要提供了關閉線程池和submit方法：

public interface ExecutorService extends Executor {

  List<Runnable> shutdownNow();


  boolean isTerminated();


  <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

 }

另外該接口有兩個重要的實現類：ThreadPoolExecutor與ScheduledThreadPoolExecutor。

其中ThreadPoolExecutor是線程池的核心實現類，用來執行被提交的任務；而ScheduledThreadPoolExecutor是一個實現類，可以在給定的延遲後運行任務，或者定期執行命令。

在上一篇文章中，我是使用ThreadPoolExecutor來通過給定不同的參數從而創建自己所需的線程池，但是在後面的工作中不建議這種方式，推薦使用Exectuors工廠方法來創建線程池

這裡先來區別線程池和線程組（ThreadGroup與ThreadPoolExecutor）這兩個概念：

a、線程組就表示一個線程的集合。

b、線程池是為線程的生命周期開銷問題和資源不足問題提供解決方案，主要是用來管理線程。

Executors可以創建3種類型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadExecutor和CachedThreadPool

a、SingleThreadExecutor：單線程線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
      (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
  }

我們從源碼來看可以知道，單線程線程池的創建也是通過ThreadPoolExecutor，裡面的核心線程數和線程數都是1，並且工作隊列使用的是無界隊列。由於是單線程工作，每次只能處理一個任務，所以後面所有的任務都被阻塞在工作隊列中，只能一個個任務執行。

b、FixedThreadExecutor：固定大小線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
  }

這個與單線程類似，只是創建了固定大小的線程數量。

c、CachedThreadPool:無界線程池

ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                   60L, TimeUnit.SECONDS,
                   new SynchronousQueue<Runnable>());
  }

無界線程池意味著沒有工作隊列，任務進來就執行，線程數量不夠就創建，與前面兩個的區別是：空閒的線程會被回收掉，空閒的時間是60s。這個適用於執行很多短期異步的小程序或者負載較輕的服務器。

Callable、Future、FutureTash詳解

Callable與Future是在JAVA的後續版本中引入進來的，Callable類似於Runnable接口，實現Callable接口的類與實現Runnable的類都是可以被線程執行的任務。

三者之間的關系：

Callable是Runnable封裝的異步運算任務。

Future用來保存Callable異步運算的結果

FutureTask封裝Future的實體類

1、Callable與Runnbale的區別

a、Callable定義的方法是call，而Runnable定義的方法是run。

b、call方法有返回值，而run方法是沒有返回值的。

c、call方法可以拋出異常，而run方法不能拋出異常。

2、Future

Future表示異步計算的結果，提供了以下方法，主要是判斷任務是否完成、中斷任務、獲取任務執行結果

public interface Future<V> {
 
   boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 
   boolean isCancelled();
 
   boolean isDone();
 
   V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
 
   V get(long timeout, TimeUnit unit)
     throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
 }

3、FutureTask

可取消的異步計算，此類提供了對Future的基本實現，僅在計算完成時才能獲取結果，如果計算尚未完成，則阻塞get方法。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

FutureTask不僅實現了Future接口，還實現了Runnable接口，所以不僅可以將FutureTask當成一個任務交給Executor來執行，還可以通過Thread來創建一個線程。

Callable與FutureTask

定義一個callable的任務：

public class MyCallableTask implements Callable<Integer>
 {
   @Override
   public Integer call()
     throws Exception
   {
     System.out.println("callable do somothing");
     Thread.sleep(5000);
     return new Random().nextInt(100);
   }
 }

public class CallableTest
 {
   public static void main(String[] args) throws Exception
   {
     Callable<Integer> callable = new MyCallableTask();
     FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(callable);
     Thread thread = new Thread(future);
     thread.start();
     Thread.sleep(100);
     //嘗試取消對此任務的執行
     future.cancel(true);
     //判斷是否在任務正常完成前取消
     System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());
     if(!future.isCancelled())
     {
       System.out.println("future is cancelled");
     }
     //判斷任務是否已完成
     System.out.println("future is done:" + future.isDone());
     if(!future.isDone())
     {
       System.out.println("future get=" + future.get());
     }
     else
     {
       //任務已完成
       System.out.println("task is done");
     }
   }
 }

執行結果：

callable do somothing
future is cancel:true
future is done:true
task is done

這個DEMO主要是通過調用FutureTask的狀態設置的方法，演示了狀態的變遷。

a、第11行，嘗試取消對任務的執行，該方法如果由於任務已完成、已取消則返回false，如果能夠取消還未完成的任務，則返回true，該DEMO中由於任務還在休眠狀態，所以可以取消成功。

future.cancel(true);

b、第13行，判斷任務取消是否成功：如果在任務正常完成前將其取消，則返回true

System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());

c、第19行，判斷任務是否完成：如果任務完成，則返回true，以下幾種情況都屬於任務完成：正常終止、異常或者取消而完成。

我們的DEMO中，任務是由於取消而導致完成。

 System.out.println("future is done:" + future.isDone());

d、在第22行，獲取異步線程執行的結果，我這個DEMO中沒有執行到這裡，需要注意的是，future.get方法會阻塞當前線程， 直到任務執行完成返回結果為止。

System.out.println("future get=" + future.get());

Callable與Future

public class CallableThread implements Callable<String>
{
  @Override
  public String call()
    throws Exception
  {
    System.out.println("進入Call方法，開始休眠，休眠時間為：" + System.currentTimeMillis());
    Thread.sleep(10000);
    return "今天停電";
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception
  {
    ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
    Callable<String> call = new CallableThread();
    Future<String> fu = es.submit(call);
    es.shutdown();
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主線程休眠5秒，當前時間" + System.currentTimeMillis());
    String str = fu.get();
    System.out.println("Future已拿到數據，str=" + str + ";當前時間為：" + System.currentTimeMillis());
  }
}

執行結果：

進入Call方法，開始休眠，休眠時間為：1478606602676
主線程休眠5秒，當前時間1478606608676
Future已拿到數據，str=今天停電;當前時間為：1478606612677

這裡的future是直接扔到線程池裡面去執行的。由於要打印任務的執行結果，所以從執行結果來看，主線程雖然休眠了5s，但是從Call方法執行到拿到任務的結果，這中間的時間差正好是10s，說明get方法會阻塞當前線程直到任務完成。

通過FutureTask也可以達到同樣的效果：

public static void main(String[] args) throws Exception
  {
   ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
   Callable<String> call = new CallableThread();
   FutureTask<String> task = new FutureTask<String>(call);
   es.submit(task);
   es.shutdown();
   Thread.sleep(5000);
   System.out.println("主線程等待5秒，當前時間為：" + System.currentTimeMillis());
   String str = task.get();
   System.out.println("Future已拿到數據，str=" + str + ";當前時間為：" + System.currentTimeMillis());
  }

以上的組合可以給我們帶來這樣的一些變化：

如有一種場景中，方法A返回一個數據需要10s,A方法後面的代碼運行需要20s，但是這20s的執行過程中，只有後面10s依賴於方法A執行的結果。如果與以往一樣采用同步的方式，勢必會有10s的時間被浪費，如果采用前面兩種組合，則效率會提高：

1、先把A方法的內容放到Callable實現類的call()方法中

2、在主線程中通過線程池執行A任務

3、執行後面方法中10秒不依賴方法A運行結果的代碼

4、獲取方法A的運行結果，執行後面方法中10秒依賴方法A運行結果的代碼

這樣代碼執行效率一下子就提高了，程序不必卡在A方法處。

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