Java多线程:ThreadPoolExecutor详解

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ThreadPoolExecutor是JDK并发包提供的一个线程池服务,基于ThreadPoolExecutor可以很容易将一个Runnable接口的任务放入线程池中。

ThreadPoolExecutor的构建参数:

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler);
    }

1. 参数解释
corePoolSize:         核心线程数,会一直存活,即使没有任务,线程池也会维护线程的最少数量
maximumPoolSize: 线程池维护线程的最大数量
keepAliveTime:      线程池维护线程所允许的空闲时间,当线程空闲时间达到keepAliveTime,该线程会退出,直到线程数量等于corePoolSize。如果allowCoreThreadTimeout设置为true,则所有线程均会退出直到线程数量为0。
unit: 线程池维护线程所允许的空闲时间的单位、可选参数值为:TimeUnit中的几个静态属性:NANOSECONDS、MICROSECONDS、MILLISECONDS、SECONDS。
workQueue: 线程池所使用的缓冲队列,常用的是:java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue
handler: 线程池中的数量大于maximumPoolSize,对拒绝任务的处理策略,默认值ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()。


2. execute方法JDK 实现

    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
            if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
                if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                    ensureQueuedTaskHandled(command);
            }
            else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
                reject(command); // is shutdown or saturated
        }
    }

一个任务通过 execute(Runnable)方法被添加到线程池,任务就是一个Runnable类型的对象,任务的执行方法就是run()方法,如果传入的为null,侧抛出NullPointerException。

如果当前线程数小于corePoolSize,调用addIfUnderCorePoolSize方法,addIfUnderCorePoolSize方法首先调用mainLock加锁,再次判断当前线程数小于corePoolSize并且线程池处于RUNNING状态,则调用addThread增加线程

addIfUnderCorePoolSize方法实现:

    private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
        Thread t = null;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
                t = addThread(firstTask);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (t == null)
            return false;
        t.start();
        return true;
    }
addThread方法首先创建Work对象,然后调用threadFactory创建新的线程,如果创建的线程不为null,将Work对象的thread属性设置为此创建出来的线程,并将此Work对象放入workers中,然后在增加当前线程池的中线程数,增加后回到addIfUnderCorePoolSize方法 ,释放mainLock,最后启动这个新创建的线程来执行新传入的任务。

addThread方法实现:

    private Thread addThread(Runnable firstTask) {
        Worker w = new Worker(firstTask);
        Thread t = threadFactory.newThread(w);
        if (t != null) {
            w.thread = t;
            workers.add(w);
            int nt = ++poolSize;
            if (nt > largestPoolSize)
                largestPoolSize = nt;
        }
        return t;
    }

ThreadFactory 接口默认实现DefaultThreadFactory

        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;
        }

从addThread方法看得出,Worker对象包装了参数传入的任务,threadFactory新创建的线程包装了Worker对象,在执行新创建线程的run方法时,调用到了Worker对象的run方法.

Worker的run方法

        public void run() {
            try {
                Runnable task = firstTask;
                firstTask = null;
                while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    runTask(task);
                    task = null;
                }
            } finally {
                workerDone(this);
            }
        }

从以上方法可以看出,Worker所在的线程启动后,首先执行创建其时传入的Runnable任务,执行完成后,循环调用getTask来获取新的任务,在没有任务的情况下,退出此线程。

getTask方法实现:

    Runnable getTask() {
        for (;;) {
            try {
                int state = runState;
                if (state > SHUTDOWN)
                    return null;
                Runnable r;
                if (state == SHUTDOWN)  // Help drain queue
                    r = workQueue.poll();
                else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)
                    r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);
                else
                    r = workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                if (workerCanExit()) {
                    if (runState >= SHUTDOWN) // Wake up others
                        interruptIdleWorkers();
                    return null;
                }
                // Else retry
            } catch (InterruptedException ie) {
                // On interruption, re-check runState
            }
        }
    }
getTask就是通过WorkQueue的poll或task方法来获取下一个要执行的任务。

回到execute方法  ,execute 方法部分实现:

 if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
                if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                    ensureQueuedTaskHandled(command);
            }
            else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
                reject(command); // is shutdown or saturated

如果当前线程池数量大于corePoolSize或addIfUnderCorePoolSize方法执行失败,则执行后续操作;如果线程池处于运行状态并且workQueue中成功加入任务,再次判断如果线程池的状态不为运行状态或当前线程池数为0,则调用ensureQueuedTaskHandled方法


ensureQueuedTaskHandled方法实现:

    private void ensureQueuedTaskHandled(Runnable command) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        boolean reject = false;
        Thread t = null;
        try {
            int state = runState;
            if (state != RUNNING && workQueue.remove(command))
                reject = true;
            else if (state < STOP &&
                     poolSize < Math.max(corePoolSize, 1) &&
                     !workQueue.isEmpty())
                t = addThread(null);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (reject)
            reject(command);
        else if (t != null)
            t.start();
    }
ensureQueuedTaskHandled方法判断线程池运行,如果状态不为运行状态,从workQueue中删除, 并调用reject做拒绝处理。

reject方法实现:

    void reject(Runnable command) {
        handler.rejectedExecution(command, this);
    }


再次回到execute方法,

 if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
                if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                    ensureQueuedTaskHandled(command);
            }
            else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
                reject(command); // is shutdown or saturated
如线程池workQueue offer失败或不处于运行状态,调用addIfUnderMaximumPoolSize,addIfUnderMaximumPoolSize方法基本和addIfUnderCorePoolSize实现类似,不同点在于根据最大线程数(maximumPoolSize)进行比较,如果超过最大线程数,返回false,调用reject方法,下面是addIfUnderMaximumPoolSize方法实现:

 private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {
        Thread t = null;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)
                t = addThread(firstTask);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (t == null)
            return false;
        t.start();
        return true;
    }

3. 添加任务处理流程
当一个任务通过execute(Runnable)方法欲添加到线程池时:
如果当前线程池中的数量小于corePoolSize,并线程池处于Running状态,创建并添加的任务。
如果当前线程池中的数量等于corePoolSize,并线程池处于Running状态,缓冲队列 workQueue未满,那么任务被放入缓冲队列、等待任务调度执行。
如果当前线程池中的数量大于corePoolSize,缓冲队列workQueue已满,并且线程池中的数量小于maximumPoolSize,新提交任务会创建新线程执行任务。

如果当前线程池中的数量大于corePoolSize,缓冲队列workQueue已满,并且线程池中的数量等于maximumPoolSize,新提交任务由Handler处理。

当线程池中的线程大于corePoolSize时,多余线程空闲时间超过keepAliveTime时,会关闭这部分线程。

4. RejectedExecutionHandler  默认有四个选择:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()              当线程池中的数量等于最大线程数时、直接抛出抛出java.util.concurrent.RejectedExecutionException异常

    public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates an {@code AbortPolicy}.
         */
        public AbortPolicy() { }

        /**
         * Always throws RejectedExecutionException.
         *
         * @param r the runnable task requested to be executed
         * @param e the executor attempting to execute this task
         * @throws RejectedExecutionException always.
         */
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                                 " rejected from " +
                                                 e.toString());
        }
    }

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()       当线程池中的数量等于最大线程数时、重试执行当前的任务,交由调用者线程来执行任务

   public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
         */
        public CallerRunsPolicy() { }

        /**
         * Executes task r in the caller's thread, unless the executor
         * has been shut down, in which case the task is discarded.
         *
         * @param r the runnable task requested to be executed
         * @param e the executor attempting to execute this task
         */
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
        }
    }

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()   当线程池中的数量等于最大线程数时、抛弃线程池中最后一个要执行的任务,并执行新传入的任务

  public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
         */
        public DiscardOldestPolicy() { }

        /**
         * Obtains and ignores the next task that the executor
         * would otherwise execute, if one is immediately available,
         * and then retries execution of task r, unless the executor
         * is shut down, in which case task r is instead discarded.
         *
         * @param r the runnable task requested to be executed
         * @param e the executor attempting to execute this task
         */
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                e.getQueue().poll();
                e.execute(r);
            }
        }
    }

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()            当线程池中的数量等于最大线程数时,不做任何动作
    public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code DiscardPolicy}.
         */
        public DiscardPolicy() { }

        /**
         * Does nothing, which has the effect of discarding task r.
         *
         * @param r the runnable task requested to be executed
         * @param e the executor attempting to execute this task
         */
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        }
    }

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