Java 線程池

最近在改進項目的并發(fā)功能，但開發(fā)起來磕磕碰碰的?？戳撕枚噘Y料，總算加深了認識。于是打算配合查看源代碼，總結并發(fā)編程的原理。

準備從用得最多的線程池開始，圍繞創(chuàng)建、執(zhí)行、關閉認識線程池整個生命周期的實現(xiàn)原理。后續(xù)再研究原子變量、并發(fā)容器、阻塞隊列、同步工具、鎖等等主題。java.util.concurrent里的并發(fā)工具用起來不難，但不能僅僅會用，我們要read the fucking source code，哈哈。順便說聲，我用的JDK是1.8。

Executor框架

Executor是一套線程池管理框架，接口里只有一個方法execute，執(zhí)行Runnable任務。ExecutorService接口擴展了Executor，添加了線程生命周期的管理，提供任務終止、返回任務結果等方法。AbstractExecutorService實現(xiàn)了ExecutorService，提供例如submit方法的默認實現(xiàn)邏輯。

然后到今天的主題ThreadPoolExecutor，繼承了AbstractExecutorService，提供線程池的具體實現(xiàn)。

構造方法

下面是ThreadPoolExecutor最普通的構造函數(shù)，最多有七個參數(shù)。具體代碼不貼了，只是一些參數(shù)校驗和設置的語句。

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

corePoolSize是線程池的目標大小，即是線程池剛剛創(chuàng)建起來，還沒有任務要執(zhí)行時的大小。maximumPoolSize是線程池的最大上限。keepAliveTime是線程的存活時間，當線程池內的線程數(shù)量大于corePoolSize，超出存活時間的空閑線程就會被回收。unit就不用說了，剩下的三個參數(shù)看后文的分析。

預設的定制線程池

ThreadPoolExecutor預設了一些已經(jīng)定制好的線程池，由Executors里的工廠方法創(chuàng)建。下面分析newSingleThreadExecutor、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool的創(chuàng)建參數(shù)。

newFixedThreadPool

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

newFixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都設置為傳入的固定數(shù)量，keepAliveTim設置為0。線程池創(chuàng)建后，線程數(shù)量將會固定不變，適合需要線程很穩(wěn)定的場合。

newSingleThreadExecutor

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

newSingleThreadExecutor是線程數(shù)量固定為1的newFixedThreadPool版本，保證池內的任務串行。注意到返回的是FinalizableDelegatedExecutorService，來看看源碼：

static class FinalizableDelegatedExecutorService
    extends DelegatedExecutorService {
    FinalizableDelegatedExecutorService(ExecutorService executor) {
      super(executor);
    }
    protected void finalize() {
      super.shutdown();
    }
  }

FinalizableDelegatedExecutorService繼承了DelegatedExecutorService，僅僅在gc時增加關閉線程池的操作，再來看看DelegatedExecutorService的源碼：

static class DelegatedExecutorService extends AbstractExecutorService {
    private final ExecutorService e;
    DelegatedExecutorService(ExecutorService executor) { e = executor; }
    public void execute(Runnable command) { e.execute(command); }
    public void shutdown() { e.shutdown(); }
    public List<Runnable> shutdownNow() { return e.shutdownNow(); }
    public boolean isShutdown() { return e.isShutdown(); }
    public boolean isTerminated() { return e.isTerminated(); }
    //...
  }

代碼很簡單，DelegatedExecutorService包裝了ExecutorService，使其只暴露出ExecutorService的方法，因此不能再配置線程池的參數(shù)。本來，線程池創(chuàng)建的參數(shù)是可以調整的，ThreadPoolExecutor提供了set方法。使用newSingleThreadExecutor目的是生成單線程串行的線程池，如果還能配置線程池大小，那就沒意思了。

Executors還提供了unconfigurableExecutorService方法，將普通線程池包裝成不可配置的線程池。如果不想線程池被不明所以的后人修改，可以調用這個方法。

newCachedThreadPool

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

newCachedThreadPool生成一個會緩存的線程池，線程數(shù)量可以從0到Integer.MAX_VALUE，超時時間為1分鐘。線程池用起來的效果是：如果有空閑線程，會復用線程；如果沒有空閑線程，會新建線程；如果線程空閑超過1分鐘，將會被回收。

newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool將會創(chuàng)建一個可定時執(zhí)行任務的線程池。這個不打算在本文展開，后續(xù)會另開文章細講。

等待隊列

newCachedThreadPool的線程上限幾乎等同于無限，但系統(tǒng)資源是有限的，任務的處理速度總有可能比不上任務的提交速度。因此，可以為ThreadPoolExecutor提供一個阻塞隊列來保存因線程不足而等待的Runnable任務，這就是BlockingQueue。

JDK為BlockingQueue提供了幾種實現(xiàn)方式，常用的有：

• ArrayBlockingQueue：數(shù)組結構的阻塞隊列
• LinkedBlockingQueue：鏈表結構的阻塞隊列
• PriorityBlockingQueue：有優(yōu)先級的阻塞隊列
• SynchronousQueue：不會存儲元素的阻塞隊列
  

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor在默認情況下使用一個無界的LinkedBlockingQueue。要注意的是，如果任務一直提交，但線程池又不能及時處理，等待隊列將會無限制地加長，系統(tǒng)資源總會有消耗殆盡的一刻。所以，推薦使用有界的等待隊列，避免資源耗盡。但解決一個問題，又會帶來新問題：隊列填滿之后，再來新任務，這個時候怎么辦？后文會介紹如何處理隊列飽和。

newCachedThreadPool使用的SynchronousQueue十分有趣，看名稱是個隊列，但它卻不能存儲元素。要將一個任務放進隊列，必須有另一個線程去接收這個任務，一個進就有一個出，隊列不會存儲任何東西。因此，SynchronousQueue是一種移交機制，不能算是隊列。newCachedThreadPool生成的是一個沒有上限的線程池，理論上提交多少任務都可以，使用SynchronousQueue作為等待隊列正合適。

飽和策略

當有界的等待隊列滿了之后，就需要用到飽和策略去處理，ThreadPoolExecutor的飽和策略通過傳入RejectedExecutionHandler來實現(xiàn)。如果沒有為構造函數(shù)傳入，將會使用默認的defaultHandler。

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public AbortPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
    }
  }

AbortPolicy是默認的實現(xiàn)，直接拋出一個RejectedExecutionException異常，讓調用者自己處理。除此之外，還有幾種飽和策略，來看一下：

 public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public DiscardPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    }
  }

DiscardPolicy的rejectedExecution直接是空方法，什么也不干。如果隊列滿了，后續(xù)的任務都拋棄掉。

 public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public DiscardOldestPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        e.getQueue().poll();
        e.execute(r);
      }
    }
  }

DiscardOldestPolicy會將等待隊列里最舊的任務踢走，讓新任務得以執(zhí)行。

 public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public CallerRunsPolicy() { }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      if (!e.isShutdown()) {
        r.run();
      }
    }
  }

最后一種飽和策略是CallerRunsPolicy，它既不拋棄新任務，也不拋棄舊任務，而是直接在當前線程運行這個任務。當前線程一般就是主線程啊，讓主線程運行任務，說不定就阻塞了。如果不是想清楚了整套方案，還是少用這種策略為妙。

ThreadFactory

每當線程池需要創(chuàng)建一個新線程，都是通過線程工廠獲取。如果不為ThreadPoolExecutor設定一個線程工廠，就會使用默認的defaultThreadFactory：

public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
  return new DefaultThreadFactory();
}

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
    private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
    private final ThreadGroup group;
    private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
    private final String namePrefix;

    DefaultThreadFactory() {
      SecurityManager s = System.getSecurityManager();
      group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                 Thread.currentThread().getThreadGroup();
      namePrefix = "pool-" +
             poolNumber.getAndIncrement() +
            "-thread-";
    }

    public Thread newThread(Runnable r) {
      Thread t = new Thread(group, r,
                 namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                 0);
      if (t.isDaemon())
        t.setDaemon(false);
      if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
        t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
      return t;
    }
  }

平時打印線程池里線程的name時，會輸出形如pool-1-thread-1之類的名稱，就是在這里設置的。這個默認的線程工廠，創(chuàng)建的線程是普通的非守護線程，如果需要定制，實現(xiàn)ThreadFactory后傳給ThreadPoolExecutor即可。

不看代碼不總結不會知道，光是線程池的創(chuàng)建就可以引出很多學問。別看平時創(chuàng)建線程池是一句代碼的事，其實ThreadPoolExecutor提供了很靈活的定制方法。

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