Java 線程池詳解及執行個體代碼_java

線程池的技術背景

在物件導向編程中，建立和銷毀對象是很費時間的，因為建立一個對象要擷取記憶體資源或者其它更多資源。在Java中更是如此，虛擬機器將試圖跟蹤每一個對象，以便能夠在對象銷毀後進行記憶體回收。

所以提高服務程式效率的一個手段就是儘可能減少建立和銷毀對象的次數，特別是一些很耗資源的對象建立和銷毀。如何利用已有對象來服務就是一個需要解決的關鍵問題，其實這就是一些”池化資源”技術產生的原因。

例如Android中常見到的很多萬用群組件一般都離不開”池”的概念，如各種圖片載入庫，網路請求庫，即使Android的訊息傳遞機制中的Meaasge當使用Meaasge.obtain()就是使用的Meaasge池中的對象，因此這個概念很重要。本文將介紹的線程池技術同樣符合這一思想。

線程池的優點:

1.重用線程池中的線程,減少因對象建立,銷毀所帶來的效能開銷;

2.能有效控制線程的最大並發數,提高系統資源使用率,同時避免過多的資源競爭,避免堵塞;

3.能夠多線程進行簡單的管理,使線程的使用簡單、高效。

線程池架構Executor

java中的線程池是通過Executor架構實現的，Executor 架構套件括類：Executor，Executors，ExecutorService，ThreadPoolExecutor ，Callable和Future、FutureTask的使用等。

Executor: 所有線程池的介面,只有一個方法。

public interface Executor {   void execute(Runnable command);  }

ExecutorService: 增加Executor的行為，是Executor實作類別的最直接介面。

Executors： 提供了一系列Factory 方法用於創先線程池，返回的線程池都實現了ExecutorService 介面。

ThreadPoolExecutor：線程池的具體實作類別,一般用的各種線程池都是基於這個類實現的。 構造方法如下:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,        int maximumPoolSize,        long keepAliveTime,        TimeUnit unit,        BlockingQueue<Runnable> workQueue) {this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);}

corePoolSize：線程池的核心線程數,線程池中啟動並執行線程數也永遠不會超過 corePoolSize 個,預設情況下可以一直存活。可以通過設定allowCoreThreadTimeOut為True,此時 核心線程數就是0,此時keepAliveTime控制所有線程的逾時時間。

maximumPoolSize：線程池允許的最大線程數;

keepAliveTime： 指的是空閑線程結束的逾時時間;

unit ：是一個枚舉，表示 keepAliveTime 的單位;

workQueue：表示存放任務的BlockingQueue<Runnable隊列。

BlockingQueue:阻塞隊列（BlockingQueue）是java.util.concurrent下的主要用來控制線程同步的工具。如果BlockQueue是空的,從BlockingQueue取東西的操作將會被阻斷進入等待狀態,直到BlockingQueue進了東西才會被喚醒。同樣,如果BlockingQueue是滿的,任何試圖往裡存東西的操作也會被阻斷進入等待狀態,直到BlockingQueue裡有空間才會被喚醒繼續操作。 阻塞隊列常用於生產者和消費者的情境，生產者是往隊列裡添加元素的線程，消費者是從隊列裡拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器裡拿元素。具體的實作類別有LinkedBlockingQueue,ArrayBlockingQueued等。一般其內部的都是通過Lock和Condition(顯示鎖（Lock）及Condition的學習與使用)來實現阻塞和喚醒。

線程池的工作過程如下：

線程池剛建立時，裡面沒有一個線程。任務隊列是作為參數傳進來的。不過，就算隊列裡面有任務，線程池也不會馬上執行它們。

當調用 execute() 方法添加一個任務時，線程池會做如下判斷：

如果正在啟動並執行線程數量小於 corePoolSize，那麼馬上建立線程運行這個任務；

如果正在啟動並執行線程數量大於或等於 corePoolSize，那麼將這個任務放入隊列；

如果這時候隊列滿了，而且正在啟動並執行線程數量小於 maximumPoolSize，那麼還是要建立非核心線程立刻運行這個任務；

如果隊列滿了，而且正在啟動並執行線程數量大於或等於 maximumPoolSize，那麼線程池會拋出異常RejectExecutionException。

當一個線程完成任務時，它會從隊列中取下一個任務來執行。

當一個線程無事可做，超過一定的時間（keepAliveTime）時，線程池會判斷，如果當前啟動並執行線程數大於 corePoolSize，那麼這個線程就被停掉。所以線程池的所有任務完成後，它最終會收縮到 corePoolSize 的大小。

線程池的建立和使用

產生線程池採用了工具類Executors的靜態方法，以下是幾種常見的線程池。

SingleThreadExecutor：單個後台線程 (其緩衝隊列是無界的)

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

建立一個單線程的線程池。這個線程池只有一個核心線程在工作，也就是相當於單線程串列執行所有任務。如果這個唯一的線程因為異常結束，那麼會有一個新的線程來替代它。此線程池保證所有任務的執行順序按照任務的提交順序執行。

FixedThreadPool：只有核心線程的線程池,大小固定 (其緩衝隊列是無界的) 。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {        
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,                                      
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,                                        
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());    
}
建立固定大小的線程池。每次提交一個任務就建立一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個線程因為執行異常而結束，那麼線程池會補充一個新線程。

CachedThreadPool：無界線程池，可以進行自動線程回收。

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

如果線程池的大小超過了處理任務所需要的線程，那麼就會回收部分空閑（60秒不執行任務）的線程，當任務數增加時，此線程池又可以智能的添加新線程來處理任務。此線程池不會對線程池大小做限制，線程池大小完全依賴於作業系統（或者說JVM）能夠建立的最大線程大小。SynchronousQueue是一個是緩衝區為1的阻塞隊列。

ScheduledThreadPool：核心線程池固定，大小無限的線程池。此線程池支援定時以及周期性執行任務的需求。

public static ExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {    return new ScheduledThreadPool(corePoolSize,     Integer.MAX_VALUE,                 DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,                 new DelayedWorkQueue()); }

建立一個周期性執行任務的線程池。如果閑置,非核心線程池會在DEFAULT_KEEPALIVEMILLIS時間內回收。

線程池最常用的提交任務的方法有兩種：

execute:

ExecutorService.execute(Runnable runable)；

submit:

FutureTask task = ExecutorService.submit(Runnable runnable);
FutureTask<T> task = ExecutorService.submit(Runnable runnable,T Result);

FutureTask<T> task = ExecutorService.submit(Callable<T> callable);

submit(Callable callable)的實現，submit(Runnable runnable)同理。

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); FutureTask<T> ftask = newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask;}

可以看出submit開啟的是有返回結果的任務，會返回一個FutureTask對象，這樣就能通過get()方法得到結果。submit最終調用的也是execute(Runnable runable)，submit只是將Callable對象或Runnable封裝成一個FutureTask對象，因為FutureTask是個Runnable，所以可以在execute中執行。關於Callable對象和Runnable怎麼封裝成FutureTask對象，見Callable和Future、FutureTask的使用。

線程池實現的原理

如果只講線程池的使用，那這篇部落格沒有什麼大的價值，充其量也就是熟悉Executor相關API的過程。線程池的實現過程沒有用到Synchronized關鍵字，用的都是Volatile,Lock和同步(阻塞)隊列,Atomic相關類，FutureTask等等，因為後者的效能更優。理解的過程可以很好的學習源碼中並發控制的思想。

在開篇提到過線程池的優點是可總結為以下三點：

線程複用

控制最大並發數

管理線程

1.線程複用過程

理解線程複用原理首先應瞭解線程生命週期。

線上程的生命週期中，它要經過建立(New)、就緒（Runnable）、運行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5種狀態。

Thread通過new來建立一個線程，這個過程是是初始化一些線程資訊，如線程名，id,線程所屬group等，可以認為只是個普通的對象。調用Thread的start()後Java虛擬機器會為其建立方法調用棧和程式計數器，同時將hasBeenStarted為true,之後調用start方法就會有異常。

處於這個狀態中的線程並沒有開始運行，只是表示該線程可以運行了。至於該線程何時開始運行，取決於JVM裡線程調度器的調度。當線程擷取cpu後，run()方法會被調用。不要自己去調用Thread的run()方法。之後根據CPU的調度在就緒——運行——阻塞間切換，直到run()方法結束或其他方式停止線程，進入dead狀態。

所以實現線程複用的原理應該就是要保持線程處於存活狀態（就緒，運行或阻塞）。接下來來看下ThreadPoolExecutor是怎麼實現線程複用的。

在ThreadPoolExecutor主要Worker類來控制線程的複用。看下Worker類簡化後的代碼，這樣方便理解：

private final class Worker implements Runnable {final Thread thread;Runnable firstTask;Worker(Runnable firstTask) {this.firstTask = firstTask;this.thread = getThreadFactory().newThread(this);}public void run() {runWorker(this);}final void runWorker(Worker w) {Runnable task = w.firstTask;w.firstTask = null;while (task != null || (task = getTask()) != null){task.run();}}

Worker是一個Runnable，同時擁有一個thread，這個thread就是要開啟的線程，在建立Worker對象時同時建立一個Thread對象，同時將Worker自己作為參數傳入TThread，這樣當Thread的start()方法調用時，啟動並執行實際上是Worker的run()方法，接著到runWorker()中,有個while迴圈，一直從getTask()裡得到Runnable對象，順序執行。getTask()又是怎麼得到Runnable對象的呢？

依舊是簡化後的代碼：

private Runnable getTask() { if(一些特殊情況) {  return null; }Runnable r = workQueue.take();return r;}

這個workQueue就是初始化ThreadPoolExecutor時存放任務的BlockingQueue隊列，這個隊列裡的存放的都是將要執行的Runnable任務。因為BlockingQueue是個阻塞隊列，BlockingQueue.take()得到如果是空，則進入等待狀態直到BlockingQueue有新的對象被加入時喚醒阻塞的線程。所以一般情況Thread的run()方法就不會結束,而是不斷執行從workQueue裡的Runnable任務，這就達到了線程複用的原理了。

2.控制最大並發數

那Runnable是什麼時候放入workQueue？Worker又是什麼時候建立，Worker裡的Thread的又是什麼時候調用start()開啟新線程來執行Worker的run()方法的呢？有上面的分析看出Worker裡的runWorker()執行任務時是一個接一個，串列進行的，那並發是怎麼體現的呢？

很容易想到是在execute(Runnable runnable)時會做上面的一些任務。看下execute裡是怎麼做的。

execute:

簡化後的代碼

public void execute(Runnable command) { if (command == null)  throw new NullPointerException();int c = ctl.get();// 當前線程數 < corePoolSizeif (workerCountOf(c) < corePoolSize) {// 直接啟動新的線程。if (addWorker(command, true))return;c = ctl.get();}// 活動線程數 >= corePoolSize// runState為RUNNING && 隊列未滿if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {int recheck = ctl.get();// 再次檢驗是否為RUNNING狀態// 非RUNNING狀態 則從workQueue中移除任務並拒絕if (!isRunning(recheck) && remove(command))reject(command);// 採用線程池指定的策略拒絕任務// 兩種情況：// 1.非RUNNING狀態拒絕新的任務// 2.隊列滿了啟動新的線程失敗（workCount > maximumPoolSize）} else if (!addWorker(command, false))reject(command);}

addWorker:

簡化後的代碼

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {int wc = workerCountOf(c);if (wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) {return false;}w = new Worker(firstTask);final Thread t = w.thread;t.start();}

根據代碼再來看上面提到的線程池工作過程中的新增工作的情況：

* 如果正在啟動並執行線程數量小於 corePoolSize，那麼馬上建立線程運行這個任務；  
* 如果正在啟動並執行線程數量大於或等於 corePoolSize，那麼將這個任務放入隊列；
* 如果這時候隊列滿了，而且正在啟動並執行線程數量小於 maximumPoolSize，那麼還是要建立非核心線程立刻運行這個任務；
* 如果隊列滿了，而且正在啟動並執行線程數量大於或等於 maximumPoolSize，那麼線程池會拋出異常RejectExecutionException。

這就是Android的AsyncTask在並存執行是在超出最大任務數是拋出RejectExecutionException的原因所在，詳見基於最新版本的AsyncTask源碼解讀及AsyncTask的黑暗面

通過addWorker如果成功建立新的線程成功，則通過start()開啟新線程，同時將firstTask作為這個Worker裡的run()中執行的第一個任務。

雖然每個Worker的任務是串列處理，但如果建立了多個Worker，因為共用一個workQueue，所以就會平行處理了。

所以根據corePoolSize和maximumPoolSize來控制最大並發數。大致過程可用下圖表示。

上面的講解和圖來可以很好的理解的這個過程。

如果是做Android開發的，並且對Handler原理比較熟悉，你可能會覺得這個圖挺熟悉，其中的一些過程和Handler，Looper，Meaasge使用中，很相似。Handler.send(Message)相當於execute(Runnuble)，Looper中維護的Meaasge隊列相當於BlockingQueue，只不過需要自己通過同步來維護這個隊列，Looper中的loop()函數迴圈從Meaasge隊列取Meaasge和Worker中的runWork()不斷從BlockingQueue取Runnable是同樣的道理。

3.管理線程

通過線程池可以很好的管理線程的複用，控制並發數，以及銷毀等過程,線程的複用和控制並發上面已經講了，而線程的管理過程已經穿插在其中了，也很好理解。

在ThreadPoolExecutor有個ctl的AtomicInteger變數。通過這一個變數儲存了兩個內容：

所有線程的數量 每個線程所處的狀態 其中低29位存線程數，高3位存runState，通過位元運算來得到不同的值。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));//得到線程的狀態private static int runStateOf(int c) {return c & ~CAPACITY;}//得到Worker的的數量private static int workerCountOf(int c) {return c & CAPACITY;}// 判斷線程是否在運行private static boolean isRunning(int c) {return c < SHUTDOWN;}

這裡主要通過shutdown和shutdownNow()來分析線程池的關閉過程。首先線程池有五種狀態來控制任務添加與執行。主要介紹以下三種：

RUNNING狀態：線程池正常運行，可以接受新的任務並處理隊列中的任務；

SHUTDOWN狀態：不再接受新的任務，但是會執行隊列中的任務；

STOP狀態：不再接受新任務，不處理隊列中的任務 shutdown這個方法會將runState置為SHUTDOWN，會終止所有閒置線程，而仍在工作的線程不受影響，所以隊列中的任務人會被執行。

shutdownNow方法將runState置為STOP。和shutdown方法的區別，這個方法會終止所有的線程，所以隊列中的任務也不會被執行了。

總結
通過對ThreadPoolExecutor源碼的分析，從總體上瞭解了線程池的建立，任務的添加，執行等過程，熟悉這些過程，使用線程池就會更輕鬆了。

而從中學到的一些對並發控制，以及生產者——消費者模型任務處理的使用，對以後理解或解決其他相關問題會有很大的協助。比如Android中的Handler機制，而Looper中的Messager隊列用一個BlookQueue來處理同樣是可以的,這寫就是讀源碼的收穫吧。

以上就是對Java 線程池的資料整理，後續繼續補充相關資料，謝謝大家對本站的支援！