最近在改進(jìn)項(xiàng)目的并發(fā)功能，但開發(fā)起來(lái)磕磕碰碰的。看了好多資料，總算加深了認(rèn)識(shí)。于是打算配合查看源代碼，總結(jié)并發(fā)編程的原理。
準(zhǔn)備從用得最多的線程池開始，圍繞創(chuàng)建、執(zhí)行、關(guān)閉認(rèn)識(shí)線程池整個(gè)生命周期的實(shí)現(xiàn)原理。后續(xù)再研究原子變量、并發(fā)容器、阻塞隊(duì)列、同步工具、鎖等等主題。java.util.concurrent里的并發(fā)工具用起來(lái)不難，但不能僅僅會(huì)用，我們要read the fucking source code，哈哈。順便說(shuō)聲，我用的JDK是1.8。
Executor框架
Executor是一套線程池管理框架，接口里只有一個(gè)方法execute，執(zhí)行Runnable任務(wù)。ExecutorService接口擴(kuò)展了Executor，添加了線程生命周期的管理，提供任務(wù)終止、返回任務(wù)結(jié)果等方法。AbstractExecutorService實(shí)現(xiàn)了ExecutorService，提供例如submit方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)邏輯。
然后到今天的主題ThreadPoolExecutor，繼承了AbstractExecutorService，提供線程池的具體實(shí)現(xiàn)。
構(gòu)造方法
下面是ThreadPoolExecutor最普通的構(gòu)造函數(shù)，最多有七個(gè)參數(shù)。具體代碼不貼了，只是一些參數(shù)校驗(yàn)和設(shè)置的語(yǔ)句。
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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { } |
corePoolSize是線程池的目標(biāo)大小，即是線程池剛剛創(chuàng)建起來(lái)，還沒(méi)有任務(wù)要執(zhí)行時(shí)的大小。maximumPoolSize是線程池的最大上限。keepAliveTime是線程的存活時(shí)間，當(dāng)線程池內(nèi)的線程數(shù)量大于corePoolSize，超出存活時(shí)間的空閑線程就會(huì)被回收。unit就不用說(shuō)了，剩下的三個(gè)參數(shù)看后文的分析。
預(yù)設(shè)的定制線程池
ThreadPoolExecutor預(yù)設(shè)了一些已經(jīng)定制好的線程池，由Executors里的工廠方法創(chuàng)建。下面分析newSingleThreadExecutor、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool的創(chuàng)建參數(shù)。
newFixedThreadPool
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public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } |
newFixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都設(shè)置為傳入的固定數(shù)量，keepAliveTim設(shè)置為0。線程池創(chuàng)建后，線程數(shù)量將會(huì)固定不變，適合需要線程很穩(wěn)定的場(chǎng)合。
newSingleThreadExecutor
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public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); } |
newSingleThreadExecutor是線程數(shù)量固定為1的newFixedThreadPool版本，保證池內(nèi)的任務(wù)串行。注意到返回的是FinalizableDelegatedExecutorService，來(lái)看看源碼：
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static class FinalizableDelegatedExecutorService extends DelegatedExecutorService { FinalizableDelegatedExecutorService(ExecutorService executor) { super(executor); } protected void finalize() { super.shutdown(); } } |
FinalizableDelegatedExecutorService繼承了DelegatedExecutorService，僅僅在gc時(shí)增加關(guān)閉線程池的操作，再來(lái)看看DelegatedExecutorService的源碼：
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static class DelegatedExecutorService extends AbstractExecutorService { private final ExecutorService e; DelegatedExecutorService(ExecutorService executor) { e = executor; } public void execute(Runnable command) { e.execute(command); } public void shutdown() { e.shutdown(); } public List<Runnable> shutdownNow() { return e.shutdownNow(); } public boolean isShutdown() { return e.isShutdown(); } public boolean isTerminated() { return e.isTerminated(); } //... } |
代碼很簡(jiǎn)單，DelegatedExecutorService包裝了ExecutorService，使其只暴露出ExecutorService的方法，因此不能再配置線程池的參數(shù)。本來(lái)，線程池創(chuàng)建的參數(shù)是可以調(diào)整的，ThreadPoolExecutor提供了set方法。使用newSingleThreadExecutor目的是生成單線程串行的線程池，如果還能配置線程池大小，那就沒(méi)意思了。
Executors還提供了unconfigurableExecutorService方法，將普通線程池包裝成不可配置的線程池。如果不想線程池被不明所以的后人修改，可以調(diào)用這個(gè)方法。
newCachedThreadPool
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public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); } |
newCachedThreadPool生成一個(gè)會(huì)緩存的線程池，線程數(shù)量可以從0到Integer.MAX_VALUE，超時(shí)時(shí)間為1分鐘。線程池用起來(lái)的效果是：如果有空閑線程，會(huì)復(fù)用線程；如果沒(méi)有空閑線程，會(huì)新建線程；如果線程空閑超過(guò)1分鐘，將會(huì)被回收。
newScheduledThreadPool
newScheduledThreadPool將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)可定時(shí)執(zhí)行任務(wù)的線程池。這個(gè)不打算在本文展開，后續(xù)會(huì)另開文章細(xì)講。
等待隊(duì)列
newCachedThreadPool的線程上限幾乎等同于無(wú)限，但系統(tǒng)資源是有限的，任務(wù)的處理速度總有可能比不上任務(wù)的提交速度。因此，可以為ThreadPoolExecutor提供一個(gè)阻塞隊(duì)列來(lái)保存因線程不足而等待的Runnable任務(wù)，這就是BlockingQueue。
JDK為BlockingQueue提供了幾種實(shí)現(xiàn)方式，常用的有：
- ArrayBlockingQueue：數(shù)組結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列
- LinkedBlockingQueue：鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列
- PriorityBlockingQueue：有優(yōu)先級(jí)的阻塞隊(duì)列
- SynchronousQueue：不會(huì)存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列
newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor在默認(rèn)情況下使用一個(gè)無(wú)界的LinkedBlockingQueue。要注意的是，如果任務(wù)一直提交，但線程池又不能及時(shí)處理，等待隊(duì)列將會(huì)無(wú)限制地加長(zhǎng)，系統(tǒng)資源總會(huì)有消耗殆盡的一刻。所以，推薦使用有界的等待隊(duì)列，避免資源耗盡。但解決一個(gè)問(wèn)題，又會(huì)帶來(lái)新問(wèn)題：隊(duì)列填滿之后，再來(lái)新任務(wù)，這個(gè)時(shí)候怎么辦？后文會(huì)介紹如何處理隊(duì)列飽和。
newCachedThreadPool使用的SynchronousQueue十分有趣，看名稱是個(gè)隊(duì)列，但它卻不能存儲(chǔ)元素。要將一個(gè)任務(wù)放進(jìn)隊(duì)列，必須有另一個(gè)線程去接收這個(gè)任務(wù)，一個(gè)進(jìn)就有一個(gè)出，隊(duì)列不會(huì)存儲(chǔ)任何東西。因此，SynchronousQueue是一種移交機(jī)制，不能算是隊(duì)列。newCachedThreadPool生成的是一個(gè)沒(méi)有上限的線程池，理論上提交多少任務(wù)都可以，使用SynchronousQueue作為等待隊(duì)列正合適。
飽和策略
當(dāng)有界的等待隊(duì)列滿了之后，就需要用到飽和策略去處理，ThreadPoolExecutor的飽和策略通過(guò)傳入RejectedExecutionHandler來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果沒(méi)有為構(gòu)造函數(shù)傳入，將會(huì)使用默認(rèn)的defaultHandler。
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private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler { public AbortPolicy() { } public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString()); } } |
AbortPolicy是默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)，直接拋出一個(gè)RejectedExecutionException異常，讓調(diào)用者自己處理。除此之外，還有幾種飽和策略，來(lái)看一下：
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public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler { public DiscardPolicy() { } public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { } } |
DiscardPolicy的rejectedExecution直接是空方法，什么也不干。如果隊(duì)列滿了，后續(xù)的任務(wù)都拋棄掉。
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public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler { public DiscardOldestPolicy() { } public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { if (!e.isShutdown()) { e.getQueue().poll(); e.execute(r); } } } |
DiscardOldestPolicy會(huì)將等待隊(duì)列里最舊的任務(wù)踢走，讓新任務(wù)得以執(zhí)行。
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public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler { public CallerRunsPolicy() { } public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { if (!e.isShutdown()) { r.run(); } } } |
最后一種飽和策略是CallerRunsPolicy，它既不拋棄新任務(wù)，也不拋棄舊任務(wù)，而是直接在當(dāng)前線程運(yùn)行這個(gè)任務(wù)。當(dāng)前線程一般就是主線程啊，讓主線程運(yùn)行任務(wù)，說(shuō)不定就阻塞了。如果不是想清楚了整套方案，還是少用這種策略為妙。
ThreadFactory
每當(dāng)線程池需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新線程，都是通過(guò)線程工廠獲取。如果不為ThreadPoolExecutor設(shè)定一個(gè)線程工廠，就會(huì)使用默認(rèn)的defaultThreadFactory：
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public static ThreadFactory defaultThreadFactory() { return new DefaultThreadFactory();} |
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static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory { private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1); private final ThreadGroup group; private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1); private final String namePrefix; DefaultThreadFactory() { SecurityManager s = System.getSecurityManager(); group = (s != null) ? s.getThreadGroup() : Thread.currentThread().getThreadGroup(); namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-"; } 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; } } |
平時(shí)打印線程池里線程的name時(shí)，會(huì)輸出形如pool-1-thread-1之類的名稱，就是在這里設(shè)置的。這個(gè)默認(rèn)的線程工廠，創(chuàng)建的線程是普通的非守護(hù)線程，如果需要定制，實(shí)現(xiàn)ThreadFactory后傳給ThreadPoolExecutor即可。
不看代碼不總結(jié)不會(huì)知道，光是線程池的創(chuàng)建就可以引出很多學(xué)問(wèn)。別看平時(shí)創(chuàng)建線程池是一句代碼的事，其實(shí)ThreadPoolExecutor提供了很靈活的定制方法。
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