Java 線程池原理深入分析
Java 線程池原理
Executor框架的兩級調(diào)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(tǒng)線程。JAVA線程啟動(dòng)時(shí)會創(chuàng)建一個(gè)本地操作系統(tǒng)線程,當(dāng)JAVA線程終止時(shí),對應(yīng)的操作系統(tǒng)線程也被銷毀回收,而操作系統(tǒng)會調(diào)度所有線程并將它們分配給可用的CPU。
在上層,JAVA程序會將應(yīng)用分解為多個(gè)任務(wù),然后使用應(yīng)用級的調(diào)度器(Executor)將這些任務(wù)映射成固定數(shù)量的線程;在底層,操作系統(tǒng)內(nèi)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(zhí)行機(jī)制。而在Executor框架中,我們將工作單元與執(zhí)行機(jī)制分離開來。Runnable和Callable是工作單元(也就是俗稱的任務(wù)),而執(zhí)行機(jī)制由Executor來提供。這樣一來Executor是基于生產(chǎn)者消費(fèi)者模式的,提交任務(wù)的操作相當(dāng)于生成者,執(zhí)行任務(wù)的線程相當(dāng)于消費(fèi)者。
1、從類圖上看,Executor接口是異步任務(wù)執(zhí)行框架的基礎(chǔ),該框架能夠支持多種不同類型的任務(wù)執(zhí)行策略。
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
Executor接口就提供了一個(gè)執(zhí)行方法,任務(wù)是Runnbale類型,不支持Callable類型。
2、ExecutorService接口實(shí)現(xiàn)了Executor接口,主要提供了關(guān)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(gè)重要的實(shí)現(xiàn)類:ThreadPoolExecutor與ScheduledThreadPoolExecutor。
其中ThreadPoolExecutor是線程池的核心實(shí)現(xiàn)類,用來執(zhí)行被提交的任務(wù);而ScheduledThreadPoolExecutor是一個(gè)實(shí)現(xiàn)類,可以在給定的延遲后運(yùn)行任務(wù),或者定期執(zhí)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(shù)從而創(chuàng)建自己所需的線程池,但是在后面的工作中不建議這種方式,推薦使用Exectuors工廠方法來創(chuàng)建線程池
這里先來區(qū)別線程池和線程組(ThreadGroup與ThreadPoolExecutor)這兩個(gè)概念:
a、線程組就表示一個(gè)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(chuàng)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(chuàng)建也是通過ThreadPoolExecutor,里面的核心線程數(shù)和線程數(shù)都是1,并且工作隊(duì)列使用的是無界隊(duì)列。由于是單線程工作,每次只能處理一個(gè)任務(wù),所以后面所有的任務(wù)都被阻塞在工作隊(duì)列中,只能一個(gè)個(gè)任務(wù)執(zhí)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(gè)與單線程類似,只是創(chuàng)建了固定大小的線程數(shù)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(duì)列,任務(wù)進(jìn)來就執(zhí)行,線程數(shù)量不夠就創(chuàng)建,與前面兩個(gè)的區(qū)別是:空閑的線程會被回收掉,空閑的時(shí)間是60s。這個(gè)適用于執(zhí)行很多短期異步的小程序或者負(fù)載較輕的服務(wù)器。
Callable、Future、FutureTash詳解
Callable與Future是在JAVA的后續(xù)版本中引入進(jìn)來的,Callable類似于Runnable接口,實(shí)現(xiàn)Callable接口的類與實(shí)現(xiàn)Runnable的類都是可以被線程執(zhí)行的任務(wù)。
三者之間的關(guān)系:
Callable是Runnable封裝的異步運(yùn)算任務(wù)。
Future用來保存Callable異步運(yùn)算的結(jié)果
FutureTask封裝Future的實(shí)體類
1、Callable與Runnbale的區(qū)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(jì)算的結(jié)果,提供了以下方法,主要是判斷任務(wù)是否完成、中斷任務(wù)、獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)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(jì)算,此類提供了對Future的基本實(shí)現(xiàn),僅在計(jì)算完成時(shí)才能獲取結(jié)果,如果計(jì)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(shí)現(xiàn)了Future接口,還實(shí)現(xiàn)了Runnable接口,所以不僅可以將FutureTask當(dāng)成一個(gè)任務(wù)交給Executor來執(zhí)行,還可以通過Thread來創(chuàng)建一個(gè)線程。
Callable與FutureTask
定義一個(gè)callable的任務(wù):
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(wù)的執(zhí)行
future.cancel(true);
//判斷是否在任務(wù)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(wù)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(wù)已完成
System.out.println("task is done");
}
}
}
執(zhí)行結(jié)果:
callable do somothing future is cancel:true future is done:true task is done
這個(gè)DEMO主要是通過調(diào)用FutureTask的狀態(tài)設(shè)置的方法,演示了狀態(tài)的變遷。
a、第11行,嘗試取消對任務(wù)的執(zhí)行,該方法如果由于任務(wù)已完成、已取消則返回false,如果能夠取消還未完成的任務(wù),則返回true,該DEMO中由于任務(wù)還在休眠狀態(tài),所以可以取消成功。
future.cancel(true);
b、第13行,判斷任務(wù)取消是否成功:如果在任務(wù)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(wù)是否完成:如果任務(wù)完成,則返回true,以下幾種情況都屬于任務(wù)完成:正常終止、異?;蛘呷∠瓿?。
我們的DEMO中,任務(wù)是由于取消而導(dǎo)致完成。
System.out.println("future is done:" + future.isDone());
d、在第22行,獲取異步線程執(zhí)行的結(jié)果,我這個(gè)DEMO中沒有執(zhí)行到這里,需要注意的是,future.get方法會阻塞當(dāng)前線程, 直到任務(wù)執(zhí)行完成返回結(jié)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(jìn)入Call方法,開始休眠,休眠時(shí)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(dāng)前時(shí)間" + System.currentTimeMillis());
String str = fu.get();
System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù),str=" + str + ";當(dāng)前時(shí)間為:" + System.currentTimeMillis());
}
}
執(zhí)行結(jié)果:
進(jìn)入Call方法,開始休眠,休眠時(shí)間為:1478606602676 主線程休眠5秒,當(dāng)前時(shí)間1478606608676 Future已拿到數(shù)據(jù),str=今天停電;當(dāng)前時(shí)間為:1478606612677
這里的future是直接扔到線程池里面去執(zhí)行的。由于要打印任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果,所以從執(zhí)行結(jié)果來看,主線程雖然休眠了5s,但是從Call方法執(zhí)行到拿到任務(wù)的結(jié)果,這中間的時(shí)間差正好是10s,說明get方法會阻塞當(dāng)前線程直到任務(wù)完成。
通過FutureTask也可以達(dá)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(dāng)前時(shí)間為:" + System.currentTimeMillis());
String str = task.get();
System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù),str=" + str + ";當(dāng)前時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)需要10s,A方法后面的代碼運(yùn)行需要20s,但是這20s的執(zhí)行過程中,只有后面10s依賴于方法A執(zhí)行的結(jié)果。如果與以往一樣采用同步的方式,勢必會有10s的時(shí)間被浪費(fèi),如果采用前面兩種組合,則效率會提高:
1、先把A方法的內(nèi)容放到Callable實(shí)現(xiàn)類的call()方法中
2、在主線程中通過線程池執(zhí)行A任務(wù)
3、執(zhí)行后面方法中10秒不依賴方法A運(yùn)行結(jié)果的代碼
4、獲取方法A的運(yùn)行結(jié)果,執(zhí)行后面方法中10秒依賴方法A運(yùn)行結(jié)果的代碼
這樣代碼執(zhí)行效率一下子就提高了,程序不必卡在A方法處。
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