Java并發(fā)：juc Executor框架詳解
Executor 框架是 juc 里提供的線程池的實現。前兩天看了下 Executor 框架的一些源碼，做個簡單的總結。
線程池大概的思路是維護一個的線程池用于執(zhí)行提交的任務。我理解池的技術的主要意義有兩個：
1. 資源的控制，如并發(fā)量限制。像連接池這種是對數據庫資源的保護。
2. 資源的有效利用，如線程復用，避免頻繁創(chuàng)建線程和線程上下文切換。
那么想象中設計一個線程池就需要有線程池大小、線程生命周期管理、等待隊列等等功能，下面結合代碼看看原理。
Excutor 整體結構如下：
Executor 接口定義了最基本的 execute 方法，用于接收用戶提交任務。 ExecutorService 定義了線程池終止和創(chuàng)建及提交 futureTask 任務支持的方法。
AbstractExecutorService 是抽象類，主要實現了 ExecutorService 和 futureTask 相關的一些任務創(chuàng)建和提交的方法。
ThreadPoolExecutor 是最核心的一個類，是線程池的內部實現。線程池的功能都在這里實現了，平時用的最多的基本就是這個了。其源碼很精練，遠沒當時想象的多。
ScheduledThreadPoolExecutor 在 ThreadPoolExecutor 的基礎上提供了支持定時調度的功能。線程任務可以在一定延時時間后才被觸發(fā)執(zhí)行。
1、ThreadPoolExecutor 原理
1.1 ThreadPoolExecutor內部的幾個重要屬性
1.線程池本身的狀態(tài)
- volatile int runState;
- static final int RUNNING = 0;
- static final int SHUTDOWN = 1;
- static final int STOP = 2;
- static final int TERMINATED = 3;
2.等待任務隊列和工作集
- private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //等待被執(zhí)行的Runnable任務
- private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //正在被執(zhí)行的Worker任務集
3.線程池的主要狀態(tài)鎖。線程池內部的狀態(tài)變化 ( 如線程大小 ) 都需要基于此鎖。
- private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
4.線程的存活時間和大小
- private volatile long keepAliveTime;// 線程存活時間
- private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;// 是否允許核心線程存活
- private volatile int corePoolSize;// 核心池大小
- private volatile int maximumPoolSize; // 最大池大小
- private volatile int poolSize; //當前池大小
- private int largestPoolSize; //最大池大小，區(qū)別于maximumPoolSize，是用于記錄線程池曾經達到過的最大并發(fā),理論上小于等于maximumPoolSize。
5.線程工廠和拒絕策略
- private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒絕策略，用于當線程池無法承載新線程是的處理策略。
- private volatile ThreadFactory threadFactory;// 線程工廠，用于在線程池需要新創(chuàng)建線程的時候創(chuàng)建線程
6.線程池完成任務數
- private long completedTaskCount;//線程池運行到當前完成的任務數總和
1.2 ThreadPoolExecutor 的內部工作原理
有了以上定義好的數據，下面來看看內部是如何實現的 。 Doug Lea 的整個思路總結起來就是 5 句話：
- 如果當前池大小 poolSize 小于 corePoolSize ，則創(chuàng)建新線程執(zhí)行任務。
- 如果當前池大小 poolSize 大于 corePoolSize ，且等待隊列未滿，則進入等待隊列
- 如果當前池大小 poolSize 大于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize ，且等待隊列已滿，則創(chuàng)建新線程執(zhí)行任務。
- 如果當前池大小 poolSize 大于 corePoolSize 且大于 maximumPoolSize ，且等待隊列已滿，則調用拒絕策略來處理該任務。
- 線程池里的每個線程執(zhí)行完任務后不會立刻退出，而是會去檢查下等待隊列里是否還有線程任務需要執(zhí)行，如果在 keepAliveTime 里等不到新的任務了，那么線程就會退出。
下面看看代碼實現：
線程池最重要的方法是由 Executor 接口定義的 execute 方法 , 是任務提交的入口。
我們看看 ThreadPoolExecutor.execute(Runnable cmd) 的實現：
- public void execute(Runnable command) {
- if (command == null)
- throw new NullPointerException();
- if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
- if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
- if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
- ensureQueuedTaskHandled(command);
- }
- else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
- reject(command); // is shutdown or saturated
- }
- }
解釋如下：
當提交一個新的 Runnable 任務：
分支1 ： 如果當前池大小小于 corePoolSize, 執(zhí)行 addIfUnderCorePoolSize(command) , 如果線程池處于運行狀態(tài)且 poolSize < corePoolSize addIfUnderCorePoolSize(command) 會做如下事情，將 Runnable 任務封裝成 Worker 任務 , 創(chuàng)建新的 Thread ，執(zhí)行 Worker 任務。如果不滿足條件，則返回 false 。
代碼如下：
- private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
- Thread t = null;
- final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
- mainLock.lock();
- try {
- if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
- t = addThread(firstTask);
- } finally {
- mainLock.unlock();
- }
- if (t == null)
- return false;
- t.start();
- return true;
- }
分支2 ： 如果大于 corePoolSize 或 1 失敗失敗，則：
- 如果等待隊列未滿，把 Runnable 任務加入到 workQueue 等待隊列
workQueue .offer(command) - 如多等待隊列已經滿了，調用 addIfUnderMaximumPoolSize(command) ，和 addIfUnderCorePoolSize 基本類似，只不過判斷條件是 poolSize < maximumPoolSize 。如果大于 maximumPoolSize ，則把 Runnable 任務交由 RejectedExecutionHandler 來處理。
問題：如何實現線程的復用？
Doug Lea 的實現思路是 線程池里的每個線程執(zhí)行完任務后不立刻退出，而是去檢查下等待隊列里是否還有線程任務需要執(zhí)行，如果在 keepAliveTime 里等不到新的任務了，那么線程就會退出。這個功能的實現 關鍵在于 Worker 。線程池在執(zhí)行 Runnable 任務的時候，并不單純把 Runnable 任務交給創(chuàng)建一個 Thread 。而是會把 Runnable 任務封裝成 Worker 任務。
下面看看 Worker 的實現：
代碼很簡單，可以看出， worker 里面包裝了 firstTask 屬性，在構造worker 的時候傳進來的那個 Runnable 任務就是 firstTask 。 同時也實現了Runnable接口，所以是個代理模式，看看代理增加了哪些功能。 關鍵看 woker 的 run 方法：
- public void run() {
- try {
- Runnable task = firstTask;
- firstTask = null;
- while (task != null || (task = getTask()) != null) {
- runTask(task);
- task = null;
- }
- } finally {
- workerDone(this);
- }
- }
可以看出 worker 的 run 方法是一個循環(huán)，第一次循環(huán)運行的必然是 firstTask ，在運行完 firstTask 之后，并不會立刻結束，而是會調用 getTask 獲取新的任務（ getTask 會從等待隊列里獲取等待中的任務），如果 keepAliveTime 時間內得到新任務則繼續(xù)執(zhí)行，得不到新任務則那么線程才會退出。這樣就保證了多個任務可以復用一個線程，而不是每次都創(chuàng)建新任務。 keepAliveTime 的邏輯在哪里實現的呢？主要是利用了 BlockingQueue 的 poll 方法支持等待?？煽?getTask 的代碼段：
- if (state == SHUTDOWN) // Help drain queue
- r = workQueue.poll();
- else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)
- r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);
- else
- r = workQueue.take();
2.ThreadFactory 和R ejectedExecutionHandler
ThreadFactory 和 RejectedExecutionHandler是ThreadPoolExecutor的兩個屬性，也 可以認為是兩個簡單的擴展點 . ThreadFactory 是創(chuàng)建線程的工廠。
默認的線程工廠會創(chuàng)建一個帶有“ pool-poolNumber-thread-threadNumber ”為名字的線程，如果我們有特別的需要，如線程組命名、優(yōu)先級等，可以定制自己的 ThreadFactory 。
RejectedExecutionHandler 是拒絕的策略。常見有以下幾種：
AbortPolicy ：不執(zhí)行，會拋出 RejectedExecutionException 異常。
CallerRunsPolicy ：由調用者（調用線程池的主線程）執(zhí)行。
DiscardOldestPolicy ：拋棄等待隊列中最老的。
DiscardPolicy: 不做任何處理，即拋棄當前任務。
3.ScheduledThreadPoolExecutor
ScheduleThreadPoolExecutor 是對ThreadPoolExecutor的集成。增加了定時觸發(fā)線程任務的功能。需要注意
從內部實現看， ScheduleThreadPoolExecutor 使用的是 corePoolSize 線程和一個無界隊列的固定大小的池，所以調整 maximumPoolSize 沒有效果。無界隊列是一個內部自定義的 DelayedWorkQueue 。
ScheduleThreadPoolExecutor 線程池接收定時任務的方法是 schedule ，看看內部實現：
- public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
- long delay,
- TimeUnit unit) {
- if (command == null || unit == null)
- throw new NullPointerException();
- RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
- new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
- triggerTime(delay, unit)));
- delayedExecute(t);
- return t;
- }
以上代碼會初始化一個 RunnableScheduledFuture 類型的任務 t, 并交給 delayedExecute 方法。 delayedExecute(t) 方法實現如下：
- private void delayedExecute(Runnable command) {
- if (isShutdown()) {
- reject(command);
- return;
- }
- if (getPoolSize() < getCorePoolSize())
- prestartCoreThread();
- super.getQueue().add(command);
- }
如果當前線程池大小 poolSize 小于 CorePoolSize ，則創(chuàng)建一個新的線程，注意這里創(chuàng)建的線程是空的，不會把任務直接交給線程來做，而是把線程任務放到隊列里。因為任務是要定時觸發(fā)的，所以不能直接交給線程去執(zhí)行。
問題： 那如何做到定時觸發(fā)呢？
關鍵在于DelayedWorkQueue,它代理了 DelayQueue 。可以認為 DelayQueue 是這樣一個隊列（具體可以去看下源碼，不詳細分析）：
1. 隊列里的元素按照任務的 delay 時間長短升序排序， delay 時間短的在隊頭， delay 時間長的在隊尾。
2. 從 DelayQueue 里 FIFO 的獲取一個元素的時候，不會直接返回 head ?？赡軙枞鹊?head 節(jié)點到達 delay 時間后才能被獲取?？梢钥聪?DelayQueue 的 take 方法實現：
- public E take() throws InterruptedException {
- final ReentrantLock lock = this.lock;
- lock.lockInterruptibly();
- try {
- for (;;) {
- E first = q.peek();
- if (first == null) {
- available.await();
- } else {
- long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
- if (delay > 0) {
- long tl = available.awaitNanos(delay);//等待delay時間
- } else {
- E x = q.poll();
- assert x != null;
- if (q.size() != 0)
- available.signalAll(); // wake up other takers
- return x;
- }
- }
- }
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
4.線程池使用策略
通過以上的詳解基本上能夠定制出自己需要的策略了，下面簡單介紹下Executors里面提供的一些常見線程池策略：
1.FixedThreadPool
- public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
- return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
- 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
- new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
- }
實際上就是個不支持keepalivetime，且corePoolSize和maximumPoolSize相等的線程池。
2.SingleThreadExecutor
- public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
- return new FinalizableDelegatedExecutorService
- (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
- 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
- new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
- }
實際上就是個不支持keepalivetime，且corePoolSize和maximumPoolSize都等1的線程池。
3.CachedThreadPool
- public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
- return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
- 60L, TimeUnit.SECONDS,
- new SynchronousQueue<Runnable>());
- }
實際上就是個支持keepalivetime時間是60秒（線程空閑存活時間），且corePoolSize為0，maximumPoolSize無窮大的線程池。
4.SingleThreadScheduledExecutor
- public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
- return new DelegatedScheduledExecutorService
- (new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
- }
實際上是個corePoolSize為1的ScheduledExecutor。上文說過ScheduledExecutor采用無界等待隊列，所以maximumPoolSize沒有作用。
5.ScheduledThreadPool
- public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
- return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
- }
實際上是corePoolSize課設定的ScheduledExecutor。上文說過ScheduledExecutor采用無界等待隊列，所以maximumPoolSize沒有作用。
以上還不一定滿足你的需要，完全可以根據自己需要去定制。
原文鏈接：http://singleant.iteye.com/blog/1423931
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