一文带你弄懂Java中线程池的原理
作者:初念初恋
在工作中,我们经常使用线程池,但是你真的了解线程池的原理吗?同时,线程池工作原理和底层实现原理也是面试经常问的考题,所以,今天我们一起聊聊线程池的原理吧。
为什么要用线程池
使用线程池主要有以下三个原因:
- 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
- 提升响应速度。当任务到达时,任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
- 可以对线程做统一管理。线程是稀缺资源,如果无限制地创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统稳定性,使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
线程池的原理
Java中的线程池顶层接口是Executor
接口,ThreadPoolExecutor
是这个接口的实现类。
我们先看看ThreadPoolExecutor
类。
ThreadPoolExecutor提供的构造方法
// 七个参数的构造函数 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)
我们先看看这些参数是什么意思:
int corePoolSize:该线程池中核心线程数最大值
核心线程:线程池中有两类线程,核心线程和非核心线程。核心线程默认情况下会一直存在于线程池中,即使这个核心线程什么都不干(铁饭碗),而非核心线程如果长时间的闲置,就会被销毁(临时工)。
int maximumPoolSize:该线程池中线程总数最大值 。
该值等于核心线程数量 + 非核心线程数量。
long keepAliveTime:非核心线程闲置超时时长。
非核心线程如果处于闲置状态超过该值,就会被销毁。如果设置allowCoreThreadTimeOut(true),则会也作用于核心线程。
TimeUnit unit:keepAliveTime的单位。
TimeUnit是一个枚举类型。
BlockingQueue workQueue:阻塞队列,维护着等待执行的Runnable任务对象。
常用的几个阻塞队列:
- LinkedBlockingQueue:链式阻塞队列,底层数据结构是链表,默认大小是
Integer.MAX_VALUE
,也可以指定大小。 - ArrayBlockingQueue:数组阻塞队列,底层数据结构是数组,需要指定队列的大小。
- SynchronousQueue:同步队列,内部容量为0,每个put操作必须等待一个take操作,反之亦然。
- DelayQueue:延迟队列,该队列中的元素只有当其指定的延迟时间到了,才能够从队列中获取到该元素 。
ThreadFactory threadFactory
创建线程的工厂 ,用于批量创建线程,统一在创建线程时设置一些参数,如是否守护线程、线程的优先级等。如果不指定,会新建一个默认的线程工厂。
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory { // 省略属性 // 构造函数 DefaultThreadFactory() { SecurityManager s = System.getSecurityManager(); group = (s != null) ? s.getThreadGroup() : Thread.currentThread().getThreadGroup(); namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-"; } // 省略 }
RejectedExecutionHandler handler
拒绝处理策略,线程数量大于最大线程数就会采用拒绝处理策略,四种拒绝处理的策略为 :
- ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:默认拒绝处理策略,丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:丢弃新来的任务,但是不抛出异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列头部(最旧的)的任务,然后重新尝试执行程序(如果再次失败,重复此过程)。
- ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务。
ThreadPoolExecutor的策略
线程池本身有一个调度线程,这个线程就是用于管理布控整个线程池里的各种任务和事务,例如创建线程、销毁线程、任务队列管理、线程队列管理等等。
故线程池也有自己的状态。ThreadPoolExecutor
类中使用了一些final int
常量变量来表示线程池的状态 ,分别为RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING 、TERMINATED。
// runState is stored in the high-order bits private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
- 线程池创建后处于RUNNING状态。
- 调用shutdown()方法后处于SHUTDOWN状态,线程池不能接受新的任务,清除一些空闲worker,不会等待阻塞队列的任务完成。
- 调用shutdownNow()方法后处于STOP状态,线程池不能接受新的任务,中断所有线程,阻塞队列中没有被执行的任务全部丢弃。此时,poolsize=0,阻塞队列的size也为0。
- 当所有的任务已终止,ctl记录的”任务数量”为0,线程池会变为TIDYING状态。接着会执行terminated()函数。
- 线程池处在TIDYING状态时,执行完terminated()方法之后,就会由 TIDYING -> TERMINATED, 线程池被设置为TERMINATED状态。
线程池主要的任务处理流程
处理任务的核心方法是execute
,我们看看 JDK 1.8 源码中ThreadPoolExecutor
是如何处理线程任务的:
// JDK 1.8 public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); // 1.当前线程数小于corePoolSize,则调用addWorker创建核心线程执行任务 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } // 2.如果不小于corePoolSize,则将任务添加到workQueue队列。 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); // 2.1 如果isRunning返回false(状态检查),则remove这个任务,然后执行拒绝策略。 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); // 2.2 线程池处于running状态,但是没有线程,则创建线程 else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } // 3.如果放入workQueue失败,则创建非核心线程执行任务, // 如果这时创建非核心线程失败(当前线程总数不小于maximumPoolSize时),就会执行拒绝策略。 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }
ctl.get()
是获取线程池状态,用int
类型表示。第二步中,入队前进行了一次isRunning
判断,入队之后,又进行了一次isRunning
判断。
为什么要二次检查线程池的状态?
在多线程的环境下,线程池的状态是时刻发生变化的。很有可能刚获取线程池状态后线程池状态就改变了。判断是否将command
加入workqueue
是线程池之前的状态。倘若没有二次检查,万一线程池处于非RUNNING状态(在多线程环境下很有可能发生),那么command
永远不会执行。
总结一下处理流程
- 线程总数量 < corePoolSize,无论线程是否空闲,都会新建一个核心线程执行任务(让核心线程数量快速达到corePoolSize,在核心线程数量 < corePoolSize时)。注意,这一步需要获得全局锁。
- 线程总数量 >= corePoolSize时,新来的线程任务会进入任务队列中等待,然后空闲的核心线程会依次去缓存队列中取任务来执行(体现了线程复用)。
- 当缓存队列满了,说明这个时候任务已经多到爆棚,需要一些“临时工”来执行这些任务了。于是会创建非核心线程去执行这个任务。注意,这一步需要获得全局锁。
- 缓存队列满了, 且总线程数达到了maximumPoolSize,则会采取上面提到的拒绝策略进行处理。
整个过程如图所示:
ThreadPoolExecutor如何做到线程复用的
我们知道,一个线程在创建的时候会指定一个线程任务,当执行完这个线程任务之后,线程自动销毁。但是线程池却可以复用线程,即一个线程执行完线程任务后不销毁,继续执行另外的线程任务。那么,线程池如何做到线程复用呢?
原来,ThreadPoolExecutor在创建线程时,会将线程封装成工作线程worker,并放入工作线程组中,然后这个worker反复从阻塞队列中拿任务去执行。
这里的addWorker
方法是在上面提到的execute
方法里面调用的,先看看上半部分:
// ThreadPoolExecutor.addWorker方法源码上半部分 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); if (wc >= CAPACITY || // 1.如果core是ture,证明需要创建的线程为核心线程,则先判断当前线程是否大于核心线程 // 如果core是false,证明需要创建的是非核心线程,则先判断当前线程数是否大于总线程数 // 如果不小于,则返回false wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } }
上半部分主要是判断线程数量是否超出阈值,超过了就返回false。我们继续看下半部分:
// ThreadPoolExecutor.addWorker方法源码下半部分 boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { // 1.创建一个worker对象 w = new Worker(firstTask); // 2.实例化一个Thread对象 final Thread t = w.thread; if (t != null) { // 3.线程池全局锁 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); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { // 4.启动这个线程 t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; }
创建worker
对象,并初始化一个Thread
对象,然后启动这个线程对象。
我们接着看看Worker
类,仅展示部分源码:
// Worker类部分源码 private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{ final Thread thread; Runnable firstTask; Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } public void run() { runWorker(this); } //其余代码略... }
Worker
类实现了Runnable
接口,所以Worker
也是一个线程任务。在构造方法中,创建了一个线程,线程的任务就是自己。故addWorker
方法调用addWorker方法源码下半部分中的第4步t.start
,会触发Worker
类的run
方法被JVM调用。
我们再看看runWorker
的逻辑:
// Worker.runWorker方法源代码 final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; // 1.线程启动之后,通过unlock方法释放锁 w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { // 2.Worker执行firstTask或从workQueue中获取任务,如果getTask方法不返回null,循环不退出 while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 2.1进行加锁操作,保证thread不被其他线程中断(除非线程池被中断) w.lock(); // If pool is stopping, ensure thread is interrupted; // if not, ensure thread is not interrupted. This // requires a recheck in second case to deal with // shutdownNow race while clearing interrupt // 2.2检查线程池状态,倘若线程池处于中断状态,当前线程将中断。 if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { // 2.3执行beforeExecute beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { // 2.4执行任务 task.run(); } catch (RuntimeException x) { thrown = x; throw x; } catch (Error x) { thrown = x; throw x; } catch (Throwable x) { thrown = x; throw new Error(x); } finally { // 2.5执行afterExecute方法 afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; w.completedTasks++; // 2.6解锁操作 w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }
首先去执行创建这个worker时就有的任务,当执行完这个任务后,worker的生命周期并没有结束,在while
循环中,worker会不断地调用getTask
方法从阻塞队列中获取任务然后调用task.run()
执行任务,从而达到复用线程的目的。只要getTask
方法不返回null
,此线程就不会退出。
当然,核心线程池中创建的线程想要拿到阻塞队列中的任务,先要判断线程池的状态,如果STOP或者TERMINATED,返回null
。
最后看看getTask
方法的实现:
// Worker.getTask方法源码 private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? 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? // 1.allowCoreThreadTimeOut变量默认是false,核心线程即使空闲也不会被销毁 // 如果为true,核心线程在keepAliveTime内仍空闲则会被销毁。 boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // 2.如果运行线程数超过了最大线程数,但是缓存队列已经空了,这时递减worker数量。 // 如果有设置允许线程超时或者线程数量超过了核心线程数量, // 并且线程在规定时间内均未poll到任务且队列为空则递减worker数量 if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { // 3.如果timed为true(想想哪些情况下timed为true),则会调用workQueue的poll方法获取任务. // 超时时间是keepAliveTime。如果超过keepAliveTime时长, // poll返回了null,上边提到的while循序就会退出,线程也就执行完了。 // 如果timed为false(allowCoreThreadTimeOut为false // 且wc > corePoolSize为false),则会调用workQueue的take方法阻塞在当前。 // 队列中有任务加入时,线程被唤醒,take方法返回任务,并执行。 Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } }
核心线程的会一直卡在workQueue.take
方法,被阻塞并挂起,不会占用CPU资源,直到拿到Runnable
然后返回(当然如果allowCoreThreadTimeOut设置为true
,那么核心线程就会去调用poll
方法,因为poll
可能会返回null
,所以这时候核心线程满足超时条件也会被销毁)。
非核心线程会workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) ,如果超时还没有拿到,下一次循环判断compareAndDecrementWorkerCount就会返回null
,Worker对象的run()
方法循环体的判断为null
,任务结束,然后线程被系统回收 。
四种常见的线程池
Executors
类中提供的几个静态方法来创建线程池。
newCachedThreadPool
public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); }
CacheThreadPool
的运行流程如下:
- 提交任务进线程池。
- 因为corePoolSize为0的关系,不创建核心线程,线程池最大为Integer.MAX_VALUE。
- 尝试将任务添加到SynchronousQueue队列。
- 如果SynchronousQueue入列成功,等待被当前运行的线程空闲后拉取执行。如果当前没有空闲线程,那么就创建一个非核心线程,然后从SynchronousQueue拉取任务并在当前线程执行。
- 如果SynchronousQueue已有任务在等待,入列操作将会阻塞。
当需要执行很多短时间的任务时,CacheThreadPool的线程复用率比较高, 会显著的提高性能。而且线程60s后会回收,意味着即使没有任务进来,CacheThreadPool并不会占用很多资源。
newFixedThreadPool
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); }
核心线程数量和总线程数量相等,都是传入的参数nThreads,所以只能创建核心线程,不能创建非核心线程。因为LinkedBlockingQueue的默认大小是Integer.MAX_VALUE,故如果核心线程空闲,则交给核心线程处理;如果核心线程不空闲,则入列等待,直到核心线程空闲。
与CachedThreadPool的区别:
- 因为 corePoolSize == maximumPoolSize ,所以FixedThreadPool只会创建核心线程。 而CachedThreadPool因为corePoolSize=0,所以只会创建非核心线程。
- 在 getTask() 方法,如果队列里没有任务可取,线程会一直阻塞在 LinkedBlockingQueue.take() ,线程不会被回收。 CachedThreadPool会在60s后收回。
- 由于线程不会被回收,会一直卡在阻塞,所以没有任务的情况下, FixedThreadPool占用资源更多。
- 都几乎不会触发拒绝策略,但是原理不同。FixedThreadPool是因为阻塞队列可以很大(最大为Integer最大值),故几乎不会触发拒绝策略;CachedThreadPool是因为线程池很大(最大为Integer最大值),几乎不会导致线程数量大于最大线程数,故几乎不会触发拒绝策略。
newSingleThreadExecutor
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); }
有且仅有一个核心线程( corePoolSize == maximumPoolSize=1),使用了LinkedBlockingQueue(容量很大),所以,不会创建非核心线程。所有任务按照先来先执行的顺序执行。如果这个唯一的线程不空闲,那么新来的任务会存储在任务队列里等待执行。
newScheduledThreadPool
创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); } //ScheduledThreadPoolExecutor(): public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) { super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS, new DelayedWorkQueue()); }
四种常见的线程池基本够我们使用了,但是《阿里巴巴开发手册》不建议我们直接使用Executors类中的线程池,而是通过ThreadPoolExecutor
的方式,这样的处理方式让写的同学需要更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。
但如果你及团队本身对线程池非常熟悉,又确定业务规模不会大到资源耗尽的程度(比如线程数量或任务队列长度可能达到Integer.MAX_VALUE)时,其实是可以使用JDK提供的这几个接口的,它能让我们的代码具有更强的可读性。
小结
在工作中,很多人因为不了解线程池的实现原理,把线程池配置错误,从而导致各种问题。希望你们阅读完本文,能够学会合理的使用线程池。
对于真正想弄懂java并发编程的小伙伴,网上的文章还有视频缺乏系统性,我建议大家还是买点书籍看看,我推荐两本我看过的书。
《Java并发编程实战》:这本书深入浅出地介绍了Java线程和并发,是一本非常棒的Java并发参考手册。
《Java并发编程艺术》:Java并发编程的概念本来就比较复杂,我们需要的是一本能够把原理解释清楚的书籍,而这本《Java并发编程的艺术》书是国内作者写的Java并发书籍,刚好就比上面那一本更简单易懂,至少我自己看下来是这样的感觉。
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