深入浅出线程池

罪恶克星 · 2023-9-30 01:35:34

一、线程

1、什么是线程

线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
2、如何创建线程

2.1、JAVA中创建线程

/**
* 继承Thread类，重写run方法
*/
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("myThread..." + Thread.currentThread().getName());
} }
/**
* 实现Runnable接口，实现run方法
*/
class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyRunnable..." + Thread.currentThread().getName());
} }
/**
* 实现Callable接口，指定返回类型，实现call方法
*/
class MyCallable implements Callable<String> {
@Override
public String call() throws Exception {
return "MyCallable..." + Thread.currentThread().getName();
} }

复制代码

2.2、测试一下

public static void main(String[] args) throws Exception {
MyThread thread = new MyThread();
thread.run(); //myThread...main
thread.start(); //myThread...Thread-0
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread thread1 = new Thread(myRunnable);
myRunnable.run(); //MyRunnable...main
thread1.start(); //MyRunnable...Thread-1
MyCallable myCallable = new MyCallable();
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(myCallable);
Thread thread2 = new Thread(futureTask);
thread2.start();
System.out.println(myCallable.call()); //MyCallable...main
System.out.println(futureTask.get()); //MyCallable...Thread-2
}

复制代码

2.3、问题

既然我们创建了线程，那为何我们直接调用方法和我们调用start()方法的结果不同?new Thread() 是否真实创建了线程?
2.4、问题分析

我们直接调用方法，可以看到是执行的主线程，而调用start()方法就是开启了新线程，那说明new Thread()并没有创建线程，而是在start()中创建了线程。
那我们看下Thread类start()方法:

class Thread implements Runnable { //Thread类实现了Runnalbe接口，实现了run()方法
private Runnable target;
public synchronized void start() {
...
boolean started = false;
try {
start0(); //可以看到，start()方法真实的调用时start0()方法
started = true;
} finally {
...
}
}
private native void start0(); //start0()是一个native方法，由JVM调用底层操作系统，开启一个线程，由操作系统过统一调度
@Override
public void run() {
if (target != null) {
target.run(); //操作系统在执行新开启的线程时，回调Runnable接口的run()方法，执行我们预设的线程任务
}
}
}

复制代码

2.5、总结

JAVA不能直接创建线程执行任务，而是通过创建Thread对象调用操作系统开启线程，在由操作系统回调Runnable接口的run()方法执行任务;
实现Runnable的方式，将线程实际要执行的回调任务单独提出来了，实现线程的启动与回调任务解耦;
实现Callable的方式，通过Future模式不但将线程的启动与回调任务解耦，而且可以在执行完成后获取到执行的结果;

二、多线程

1、什么是多线程

多线程(multithreading)，是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。同一个线程只能处理完一个任务在处理下一个任务，有时我们需要多个任务同时处理，这时，我们就需要创建多个线程来同时处理任务。
2、多线程有什么好处

2.1、串行处理

public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("start...");
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(2000); //每个任务执行2秒
System.out.println("task done..."); //处理执行结果
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end...,time = " + (end - start));
}
//执行结果
start...
task done...
task done...
task done...
task done...
task done... end...,time = 10043

复制代码

2.2、并行处理

public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("start...");
long start = System.currentTimeMillis();
List<Future> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Callable<String> callable = new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
Thread.sleep(2000); //每个任务执行2秒
return "task done...";
}
};
FutureTask task = new FutureTask(callable);
list.add(task);
new Thread(task).start();
}
list.forEach(future -> {
try {
System.out.println(future.get()); //处理执行结果 } catch (Exception e) {
}
});
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("end...,time = " + (end - start));
}
//执行结果
start...
task done...
task done...
task done...
task done...
task done... end...,time = 2005

复制代码

2.3、总结

多线程可以把一个任务拆分为几个子任务，多个子任务可以并发执行，每一个子任务就是一个线程。
多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。

2.4、多线程的问题

上面示例中我们可以看到，如果每来一个任务，我们就创建一个线程，有很多任务的情况下，我们会创建大量的线程，可能会导致系统资源的耗尽。同时，我们知道线程的执行是需要抢占CPU资源的，那如果有太多的线程，就会导致大量时间用在线程切换的开销上。
再有，每来一个任务都需要创建一个线程，而创建一个线程需要调用操作系统底层方法，开销较大，而线程执行完成后就被回收了。在需要大量线程的时候，创建线程的时间就花费不少了。
三、线程池

1、如何设计一个线程池

由于多线程的开发存在上述的一些问题，那我们是否可以设计一个东西来避免这些问题呢?当然可以! 线程池就是为了解决这些问题而生的。那我们该如何设计一个线程池来解决这些问题呢?或者说，一个线程池该具备什么样的功能?
1.1、线程池基本功能

多线程会创建大量的线程耗尽资源，那线程池应该对线程数量有所限制，可以保证不会耗尽系统资源;
每次创建新的线程会增加创建时的开销，那线程池应该减少线程的创建，尽量复用已创建好的线程;

1.2、线程池面临问题

我们知道线程在执行完自己的任务后就会被回收，那我们如何复用线程?
我们指定了线程的最大数量，当任务数超出线程数时，我们该如何处理?

1.3、创新源于生活

先假设一个场景:假设我们是一个物流公司的管理人员，要配送的货物就是我们的任务，货车就是我们配送工具，我们当然不能有多少货物就准备多少货车。那当顾客源源不断的将货物交给我们配送，我们该如何管理才能让公司经营的最好呢?

最开始货物来的时候，我们还没有货车，每批要运输的货物我们都要购买一辆车来运输;
当货车运输完成后，暂时还没有下一批货物到达，那货车就在仓库停着，等有货物来了立马就可以运输;
当我们有了一定数量的车后，我们认为已经够用了，那后面就不再买车了，这时要是由新的货物来了，我们就会让货物先放仓库，等有车回来在配送;
当618大促来袭，要配送的货物太多，车都在路上，仓库也都放满了，那怎么办呢?我们就选择临时租一些车来帮忙配送，提高配送的效率;
但是货物还是太多，我们增加了临时的货车，依旧配送不过来，那这时我们就没办法了，只能让发货的客户排队等候或者干脆不接受了;
大促圆满完成后，累计的货物已经配送完成了，为了降低成本，我们就将临时租的车都还了;

1.4、技术源于创新

基于上述场景，物流公司就是我们的线程池、货物就是我们的线程任务、货车就是我们的线程。我们如何设计公司的管理货车的流程，就应该如何设计线程池管理线程的流程。

当任务进来我们还没有线程时，我们就该创建线程执行任务;
当线程任务执行完成后，线程不释放，等着下一个任务进来后接着执行;
当创建的线程数量达到一定量后，新来的任务我们存起来等待空闲线程执行，这就要求线程池有个存任务的容器;
当容器存满后，我们需要增加一些临时的线程来提高处理效率;
当增加临时线程后依旧处理不了的任务，那就应该将此任务拒绝;
当所有任务执行完成后，就应该将临时的线程释放掉，以免增加不必要的开销;

2、线程池具体分析

上文中，我们讲了该如何设计一个线程池，下面我们看看大神是如何设计的；
2.1、 JAVA中的线程池是如何设计的

2.1.1、线程池设计

看下线程池中的属性，了解线程池的设计。

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
//线程池的打包控制状态,用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//值为29,用来表示偏移量
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//线程池的最大容量
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
//线程池的运行状态，总共有5个状态，用高3位来表示
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; //接受新任务并处理阻塞队列中的任务
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; //不接受新任务但会处理阻塞队列中的任务
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; //不会接受新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，并且中断正在运行的任务
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; //所有任务都已终止，工作线程数量为0，即将要执行terminated()钩子方法
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; // terminated()方法已经执行结束
//任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//全局锁，对线程池状态等属性修改时需要使用这个锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//线程池中工作线程的集合，访问和修改需要持有全局锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// 终止条件
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
//线程池中曾经出现过的最大线程数
private int largestPoolSize;
//已完成任务的数量
private long completedTaskCount;
//线程工厂
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//任务拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//线程存活时间
private volatile long keepAliveTime;
//是否允许核心线程超时
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
//核心池大小，若allowCoreThreadTimeOut被设置，核心线程全部空闲超时被回收的情况下会为0
private volatile int corePoolSize;
//最大池大小，不得超过CAPACITY
private volatile int maximumPoolSize;
//默认的任务拒绝策略
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
//运行权限相关
private static final RuntimePermission shutdownPerm =
new RuntimePermission("modifyThread");
...
}

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可以看到submit方法的底层调用的也是execute方法，所以我们这里只分析execute方法；

//构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, //核心线程数
int maximumPoolSize, //最大允许线程数
long keepAliveTime, //线程存活时间
TimeUnit unit, //存活时间单位
BlockingQueue<Runnable> workQueue, //任务缓存队列
ThreadFactory threadFactory, //线程工厂
RejectedExecutionHandler handler) { //拒绝策略
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}

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小结一下：execute()方法主要功能：

核心线程数量不足就创建核心线程；
核心线程满了就加入缓存队列；
缓存队列满了就增加非核心线程；
非核心线程也满了就拒绝任务；

2.1.3.2、创建线程

public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}

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小结：addWorker()方法主要功能；

增加线程数；
创建线程Worker实例加入线程池；
加入完成开启线程；
启动失败则回滚增加流程；

2.1.3.3、工作线程的实现

public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
//第一步：创建核心线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { //worker数量小于corePoolSize
if (addWorker(command, true)) //创建worker
return;
c = ctl.get();
}
//第二步：加入缓存队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { //线程池处于RUNNING状态，将任务加入workQueue任务缓存队列
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //双重检查，若线程池状态关闭了，移除任务
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0) //线程池状态正常，但是没有线程了，创建worker
addWorker(null, false);
}
//第三步：创建临时线程
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}

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小结：工作线程Worker类主要功能；

此类持有一个工作线程，不断处理拿到的新任务，持有的线程即为可复用的线程；
此类可看作一个适配类，在run()方法中真实调用runWorker()方法不断获取新任务，完成线程复用；

2.1.3.4、线程的复用

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
//等价于：rs>=SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty())
//线程池已关闭，并且无需执行缓存队列中的任务，则不创建
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //CAS增加线程数
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
//上面的流程走完，就可以真实开始创建线程了
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask); //这里创建了线程
final Thread t = w.thread;
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());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w); //这里将线程加入到线程池中
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start(); //添加成功，启动线程
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w); //添加线程失败操作
}
return workerStarted;
}

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小结：runWorker()方法主要功能；

循环从缓存队列中获取新的任务，直到没有任务为止；
使用worker持有的线程真实执行任务；
任务都执行完成后的清理工作；

2.1.3.5、队列中获取待执行任务

private final class Worker //Worker类是ThreadPoolExecutor的内部类
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
final Thread thread; //持有实际线程
Runnable firstTask; //worker所对应的第一个任务，可能为空
volatile long completedTasks; //记录执行任务数
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public void run() {
runWorker(this); //当前线程调用ThreadPoolExecutor中的runWorker方法，在这里实现的线程复用
}
...继承AQS，实现了不可重入锁...
}

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小结：getTask()方法主要功能；

实际在缓存队列中获取待执行的任务；
在这里管理线程是否要阻塞等待，控制线程的数量；

2.1.3.6、清理工作

final void runWorker(Worker w) { //ThreadPoolExecutor中的runWorker方法，在这里实现的线程复用
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true; //标识线程是否异常终止
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) { //这里会不断从任务队列获取任务并执行
w.lock();
//线程是否需要中断
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task); //执行任务前的Hook方法，可自定义
Throwable thrown = null;
try {
task.run(); //执行实际的任务
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown); //执行任务后的Hook方法，可自定义
}
} finally {
task = null; //执行完成后，将当前线程中的任务制空，准备执行下一个任务
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly); //线程执行完成后的清理工作
}
}

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小结：processWorkerExit()方法主要功能；

真实完成线程池线程的回收；
调用尝试终止线程池；
保证线程池正常运行；

2.1.3.7、尝试终止线程池

private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; //标识当前线程是否超时未能获取到task对象
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) //若线程存活时间超时，则CAS减去线程数量
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : //允许超时回收则阻塞等待
workQueue.take(); //不允许则直接获取，没有就返回null
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}

复制代码

小结：tryTerminate()方法主要功能；

实际尝试终止线程池；
终止成功则调用钩子方法，并且将线程池置为终态。

2.2、JAVA线程池总结

以上通过对JAVA线程池的具体分析我们可以看出，虽然流程看似复杂，但其实有很多内容都是状态重复校验、线程安全的保证等内容，其主要的功能与我们前面所提出的设计功能一致，只是额外增加了一些扩展，下面我们简单整理下线程池的功能；
2.2.1、主要功能

线程数量及存活时间的管理；
待处理任务的存储功能；
线程复用机制功能；
任务超量的拒绝功能；

2.2.2、扩展功能

简单的执行结果统计功能；
提供线程执行异常处理机制；
执行前后处理流程自定义；
提供线程创建方式的自定义；

2.2.3、流程总结
以上通过对JAVA线程池任务提交流程的分析我们可以看出，线程池执行的简单流程如下图所示；

2.3、JAVA线程池使用

线程池基本使用验证上述流程：

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
decrementWorkerCount();
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
completedTaskCount += w.completedTasks;
workers.remove(w); //移除执行完成的线程
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate(); //每次回收完一个线程后都尝试终止线程池
int c = ctl.get();
if (runStateLessThan(c, STOP)) { //到这里说明线程池没有终止
if (!completedAbruptly) {
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
addWorker(null, false); //异常终止线程的话，需要在常见一个线程
}
}

复制代码

作者：京东零售秦浩然
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