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線程啟動時會創(chuàng)建一個本地操作系統(tǒng)線程，當JAVA線程終止時，對應的操作系統(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程序會將應用分解為多個任務，然后使用應用級的調(diào)度器（Executor）將這些任務映射成固定數(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)行機制。而在Executor框架中，我們將工作單元與執(zhí)行機制分離開來。Runnable和Callable是工作單元（也就是俗稱的任務），而執(zhí)行機制由Executor來提供。這樣一來Executor是基于生產(chǎn)者消費者模式的，提交任務的操作相當于生成者，執(zhí)行任務的線程相當于消費者。
1、從類圖上看，Executor接口是異步任務執(zhí)行框架的基礎(chǔ)，該框架能夠支持多種不同類型的任務執(zhí)行策略。
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
Executor接口就提供了一個執(zhí)行方法，任務是Runnbale類型，不支持Callable類型。
2、ExecutorService接口實現(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);
}
另外該接口有兩個重要的實現(xiàn)類：ThreadPoolExecutor與ScheduledThreadPoolExecutor。
其中ThreadPoolExecutor是線程池的核心實現(xiàn)類，用來執(zhí)行被提交的任務；而ScheduledThreadPoolExecutor是一個實現(xiàn)類，可以在給定的延遲后運行任務，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）這兩個概念：
a、線程組就表示一個線程的集合。
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，并且工作隊列使用的是無界隊列。由于是單線程工作，每次只能處理一個任務，所以后面所有的任務都被阻塞在工作隊列中，只能一個個任務執(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列，任務進來就執(zhí)行，線程數(shù)量不夠就創(chuàng)建，與前面兩個的區(qū)別是：空閑的線程會被回收掉，空閑的時間是60s。這個適用于執(zhí)行很多短期異步的小程序或者負載較輕的服務器。
Callable、Future、FutureTash詳解
Callable與Future是在JAVA的后續(xù)版本中引入進來的，Callable類似于Runnable接口，實現(xiàn)Callable接口的類與實現(xiàn)Runnable的類都是可以被線程執(zhí)行的任務。
三者之間的關(guān)系：
Callable是Runnable封裝的異步運算任務。
Future用來保存Callable異步運算的結(jié)果
FutureTask封裝Future的實體類
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表示異步計算的結(jié)果，提供了以下方法，主要是判斷任務是否完成、中斷任務、獲取任務執(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
可取消的異步計算，此類提供了對Future的基本實現(xiàn)，僅在計算完成時才能獲取結(jié)果，如果計算尚未完成，則阻塞get方法。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>
FutureTask不僅實現(xiàn)了Future接口，還實現(xiàn)了Runnable接口，所以不僅可以將FutureTask當成一個任務交給Executor來執(zhí)行，還可以通過Thread來創(chuàng)建一個線程。
Callable與FutureTask
定義一個callable的任務：
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);
//嘗試取消對此任務的執(zhí)行
future.cancel(true);
//判斷是否在任務正常完成前取消
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DEMO主要是通過調(diào)用FutureTask的狀態(tài)設置的方法，演示了狀態(tài)的變遷。
a、第11行，嘗試取消對任務的執(zhí)行，該方法如果由于任務已完成、已取消則返回false，如果能夠取消還未完成的任務，則返回true，該DEMO中由于任務還在休眠狀態(tài)，所以可以取消成功。
future.cancel(true);
b、第13行，判斷任務取消是否成功：如果在任務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，判斷任務是否完成：如果任務完成，則返回true，以下幾種情況都屬于任務完成：正常終止、異?；蛘呷∠瓿伞?/p>
我們的DEMO中，任務是由于取消而導致完成。
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DEMO中沒有執(zhí)行到這里，需要注意的是，future.get方法會阻塞當前線程， 直到任務執(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("進入Call方法，開始休眠，休眠時間為：" + 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，當前時間" + System.currentTimeMillis());
String str = fu.get();
System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù)，str=" + str + ";當前時間為：" + System.currentTimeMillis());
}
}
執(zhí)行結(jié)果：
進入Call方法，開始休眠，休眠時間為：1478606602676 主線程休眠5秒，當前時間1478606608676 Future已拿到數(shù)據(jù)，str=今天停電;當前時間為：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)行到拿到任務的結(jié)果，這中間的時間差正好是10s，說明get方法會阻塞當前線程直到任務完成。
通過FutureTask也可以達到同樣的效果：
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，當前時間為：" + System.currentTimeMillis());
String str = task.get();
System.out.println("Future已拿到數(shù)據(jù)，str=" + str + ";當前時間為：" + 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返回一個數(shù)據(jù)需要10s,A方法后面的代碼運行需要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的時間被浪費，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
3、執(zhí)行后面方法中10秒不依賴方法A運行結(jié)果的代碼
4、獲取方法A的運行結(jié)果，執(zhí)行后面方法中10秒依賴方法A運行結(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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