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Java线程池原理详解

Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的模型中,JAVA线程被一对一映射为本地操作系统线程。JAVA线程启动时会创建一个本地操作系统线程,当JAVA线程终止时,对应的操作系统线程也被销毁回收,而操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。

在上层,JAVA程序会将应用分解为多个任务,然后使用应用级的调度器(Executor)将这些任务映射成固定数量的线程;在底层,操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。

Executor框架类图

图片描述

在前面介绍的JAVA线程既是工作单元,也是执行机制。而在Executor框架中,我们将工作单元与执行机制分离开来。Runnable和Callable是工作单元(也就是俗称的任务),而执行机制由Executor来提供。这样一来Executor是基于生产者消费者模式的,提交任务的操作相当于生成者,执行任务的线程相当于消费者。

1、从类图上看,Executor接口是异步任务执行框架的基础,该框架能够支持多种不同类型的任务执行策略。

public interface Executor {

    void execute(Runnable command);
}

Executor接口就提供了一个执行方法,任务是Runnbale类型,不支持Callable类型。

2、ExecutorService接口实现了Executor接口,主要提供了关闭线程池和submit方法:

public interface ExecutorService extends Executor {

    List<Runnable> shutdownNow();


    boolean isTerminated();


    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

 }

另外该接口有两个重要的实现类:ThreadPoolExecutor与ScheduledThreadPoolExecutor。

其中ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类,用来执行被提交的任务;而ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类,可以在给定的延迟后运行任务,或者定期执行命令。

在上一篇文章中,我是使用ThreadPoolExecutor来通过给定不同的参数从而创建自己所需的线程池,但是在后面的工作中不建议这种方式,推荐使用Exectuors工厂方法来创建线程池

这里先来区别线程池和线程组(ThreadGroup与ThreadPoolExecutor)这两个概念:

a、线程组就表示一个线程的集合。

b、线程池是为线程的生命周期开销问题和资源不足问题提供解决方案,主要是用来管理线程。

Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor:SingleThreadExecutor、FixedThreadExecutor和CachedThreadPool

a、SingleThreadExecutor:单线程线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

我们从源码来看可以知道,单线程线程池的创建也是通过ThreadPoolExecutor,里面的核心线程数和线程数都是1,并且工作队列使用的是无界队列。由于是单线程工作,每次只能处理一个任务,所以后面所有的任务都被阻塞在工作队列中,只能一个个任务执行。

b、FixedThreadExecutor:固定大小线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

这个与单线程类似,只是创建了固定大小的线程数量。

c、CachedThreadPool:无界线程池

ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

无界线程池意味着没有工作队列,任务进来就执行,线程数量不够就创建,与前面两个的区别是:空闲的线程会被回收掉,空闲的时间是60s。这个适用于执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器。

Callable、Future、FutureTash详解

Callable与Future是在JAVA的后续版本中引入进来的,Callable类似于Runnable接口,实现Callable接口的类与实现Runnable的类都是可以被线程执行的任务。

三者之间的关系:

Callable是Runnable封装的异步运算任务。

Future用来保存Callable异步运算的结果

FutureTask封装Future的实体类

1、Callable与Runnbale的区别

a、Callable定义的方法是call,而Runnable定义的方法是run。

b、call方法有返回值,而run方法是没有返回值的。

c、call方法可以抛出异常,而run方法不能抛出异常。

2、Future

Future表示异步计算的结果,提供了以下方法,主要是判断任务是否完成、中断任务、获取任务执行结果

 1 public interface Future<V> {
 2 
 3     boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 4 
 5     boolean isCancelled();
 6 
 7     boolean isDone();
 8 
 9     V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
10 
11     V get(long timeout, TimeUnit unit)
12         throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
13 }

3、FutureTask

可取消的异步计算,此类提供了对Future的基本实现,仅在计算完成时才能获取结果,如果计算尚未完成,则阻塞get方法。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

FutureTask不仅实现了Future接口,还实现了Runnable接口,所以不仅可以将FutureTask当成一个任务交给Executor来执行,还可以通过Thread来创建一个线程。

Callable与FutureTask

定义一个callable的任务:

 1 public class MyCallableTask implements Callable<Integer>
 2 {
 3     @Override
 4     public Integer call()
 5         throws Exception
 6     {
 7         System.out.println("callable do somothing");
 8         Thread.sleep(5000);
 9         return new Random().nextInt(100);
10     }
11 }
 1 public class CallableTest
 2 {
 3     public static void main(String[] args) throws Exception
 4     {
 5         Callable<Integer> callable = new MyCallableTask();
 6         FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(callable);
 7         Thread thread = new Thread(future);
 8         thread.start();
 9         Thread.sleep(100);
10         //尝试取消对此任务的执行
11         future.cancel(true);
12         //判断是否在任务正常完成前取消
13         System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());
14         if(!future.isCancelled())
15         {
16             System.out.println("future is cancelled");
17         }
18         //判断任务是否已完成
19         System.out.println("future is done:" + future.isDone());
20         if(!future.isDone())
21         {
22             System.out.println("future get=" + future.get());
23         }
24         else
25         {
26             //任务已完成
27             System.out.println("task is done");
28         }
29     }
30 }

执行结果:

callable do somothing
future is cancel:true
future is done:true
task is done

这个DEMO主要是通过调用FutureTask的状态设置的方法,演示了状态的变迁。

a、第11行,尝试取消对任务的执行,该方法如果由于任务已完成、已取消则返回false,如果能够取消还未完成的任务,则返回true,该DEMO中由于任务还在休眠状态,所以可以取消成功。

future.cancel(true);

b、第13行,判断任务取消是否成功:如果在任务正常完成前将其取消,则返回true

System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());

c、第19行,判断任务是否完成:如果任务完成,则返回true,以下几种情况都属于任务完成:正常终止、异常或者取消而完成。

我们的DEMO中,任务是由于取消而导致完成。

 System.out.println("future is done:" + future.isDone());

d、在第22行,获取异步线程执行的结果,我这个DEMO中没有执行到这里,需要注意的是,future.get方法会阻塞当前线程, 直到任务执行完成返回结果为止。

System.out.println("future get=" + future.get());

Callable与Future

public class CallableThread implements Callable<String>
{
    @Override
    public String call()
        throws Exception
    {
        System.out.println("进入Call方法,开始休眠,休眠时间为:" + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(10000);
        return "今天停电";
    }

    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("主线程休眠5秒,当前时间" + System.currentTimeMillis());
        String str = fu.get();
        System.out.println("Future已拿到数据,str=" + str + ";当前时间为:" + System.currentTimeMillis());
    }
}

执行结果:

进入Call方法,开始休眠,休眠时间为:1478606602676
主线程休眠5秒,当前时间1478606608676
Future已拿到数据,str=今天停电;当前时间为:1478606612677

这里的future是直接扔到线程池里面去执行的。由于要打印任务的执行结果,所以从执行结果来看,主线程虽然休眠了5s,但是从Call方法执行到拿到任务的结果,这中间的时间差正好是10s,说明get方法会阻塞当前线程直到任务完成。

通过FutureTask也可以达到同样的效果:

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("主线程等待5秒,当前时间为:" + System.currentTimeMillis());
      String str = task.get();
      System.out.println("Future已拿到数据,str=" + str + ";当前时间为:" + System.currentTimeMillis());
    }

以上的组合可以给我们带来这样的一些变化:

如有一种场景中,方法A返回一个数据需要10s,A方法后面的代码运行需要20s,但是这20s的执行过程中,只有后面10s依赖于方法A执行的结果。如果与以往一样采用同步的方式,势必会有10s的时间被浪费,如果采用前面两种组合,则效率会提高:

1、先把A方法的内容放到Callable实现类的call()方法中

2、在主线程中通过线程池执行A任务

3、执行后面方法中10秒不依赖方法A运行结果的代码

4、获取方法A的运行结果,执行后面方法中10秒依赖方法A运行结果的代码

这样代码执行效率一下子就提高了,程序不必卡在A方法处。

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