• Java多线程系列--“JUC线程池”01之 线程池架构


    一. Executor框架

    在Java中,使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销,如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行,这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时,为每一个任务创建一个新线程来执行,这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。

    Java的线程既是工作单元,也是执行机制。从JDK 5开始,把工作单元与执行机制分离开 来。工作单元包括Runnable和Callable,而执行机制由Executor框架提供。

    1. Executor框架的两级调度模型

    在上层,Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务,然后使用用户级的调度器 (Executor框架)将这些任务映射为固定数量的线程;在底层,操作系统内核将这些线程映射到 硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图如图10-1所示

    从图中可以看出,应用程序通过Executor框架控制上层的调度;而下层的调度由操作系统
    内核控制,下层的调度不受应用程序的控制。

    2. Executor框架的结构

    Executor框架主要由3大部分组成如下。

    ·任务。包括被执行任务需要实现的接口:Runnable接口或Callable接口。

    ·任务的执行。包括任务执行机制的核心接口Executor,以及继承自Executor的 ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口 (ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor)。

    ·异步计算的结果。包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

    Executor框架包含的主要的类与接口如图所示。

    下面是这些类和接口的简介

    • ·Executor是一个接口,它是Executor框架的基础,它将任务的提交与任务的执行分离开来。
    • ·ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类,用来执行被提交的任务。
    • ·ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类,可以在给定的延迟后运行命令,或者定期执 行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更灵活,功能更强大。
    • ·Future接口和实现Future接口的FutureTask类,代表异步计算的结果。
    • ·Runnable接口和Callable接口的实现类,都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

     下面是Executor框架的使用示意图:

    • 主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一 个Runnable对象封装为一个Callable对象(Executors.callable(Runnable task)或 Executors.callable(Runnable task,Object resule))。
    • 然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行(ExecutorService.execute(Runnable command));或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行(ExecutorService.submit(Runnable task)或ExecutorService.submit(Callable<T>task))。
    • 如果执行ExecutorService.submit(…),ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象 (到目前为止的JDK中,返回的是FutureTask对象)。由于FutureTask实现了Runnable,程序员也可 以创建FutureTask,然后直接交给ExecutorService执行。
    • 最后,主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行
    • FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。

     3. Executor框架的成员

    本节将介绍Executor框架的主要成员:ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、 Future接口、Runnable接口、Callable接口和Executors。

    (1)ThreadPollExecutor

    ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建4种类型的 ThreadPoolExecutor:SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool、ScheduledThreadPool。
    下面分别介绍这3种ThreadPoolExecutor。

    1)FixedThreadPool

    FixedThreadPool适用于为了满足资源管理的需求,而需要限制当前线程数量的应用场景,它适用于负载比较重的服务器。

    具有固定数量的线程池,核心线程数等于最大线程数,线程最大空闲时间为0,执行完毕即销毁,超出最大线程数进行等待。高并发下控制性能(因为控制了线程的个数、切换创建时间、CPU的使用)。

    2)SingleThreadExecutor

    SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务;并且在任意时间点,不会有多个线程是活动的应用场景。

    核心线程数与最大线程数均为1,用于不需要并发顺序执行。

     3)CachedThreadPool

    CachedThreadPool是大小无界的线程池,适用于执行很多的短期异步任务的小程序,或者是负载较轻的服务器。

    具有缓存性质的线程池,线程最大空闲时间60s,线程可重复利用(缓存特性),没有最大线程数限制。

    适合高并发情况下,任务执行时间短的情况,这样下一个任务就可以用刚刚缓存的线程啦

     4)ScheduledThreadPoolExecutor

    具有时间调度特性的线程池,必须初始化核心线程数, 底层使用DelayedWorkQueue实现延迟特性。

    (3)Future接口

    Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable 接口或Callable接口的实现类提交(submit)给ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor时,ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向我们 返回一个FutureTask对象。下面是对应的API。

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task)
     <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) 
    Future<> submit(Runnable task)

    有一点需要读者注意,到目前最新的JDK 8为止,Java通过上述API返回的是一个 FutureTask对象。但从API可以看到,Java仅仅保证返回的是一个实现了Future接口的对象。在将 来的JDK实现中,返回的可能不一定是FutureTask。

     (4)Runnable接口和Callable接口

    Runnable接口和Callable接口的实现类,都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是Runnable不会返回结果,而Callable可以返回结
    果。
    除了可以自己创建实现Callable接口的对象外,还可以使用工厂类Executors来把一个 Runnable包装成一个Callable。

    二. 线程池的实现原理

    当向线程池提交一个任务之后,线程池是如何处理这个任务呢?看下面的流程图。

    从图中可以看出,当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下:

    1)线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是,则

    创建一个新的工作
    线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务,则进入下个流程。

    2)线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满,则将新提交的任务存储在这
    个工作队列里。如果工作队列满了,则进入下个流程。

    3)线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有,则创建一个新的工作线程
    来执行任务。如果已经满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

    ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况:

    1)如果当前运行的线程少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务(注意,执行这一步骤
    需要获取全局锁)。
    2)如果运行的线程等于或多于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue。
    3)如果无法将任务加入BlockingQueue(队列已满),则创建新的线程来处理任务(注意,执
    行这一步骤需要获取全局锁)。
    4)如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize,任务将被拒绝,并调用 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

    参考文献

    《Java并发编程的艺术》

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