Java基础（十一）—— 线程池

本文最后更新于：2022年7月19日下午

概览：Java线程池

execute与submit的区别

execute只能提交runnable类型任务，无返回值

submit可以提交runnable以及callable类型任务，有返回值Future<>

返回	使用
Futere<?>	submit(runnable);
`Future<T>`	submit(runnable,T);//T可以是任意对象，eg”任务完成”
`Future<T>`	submit(callable);

callable任务的阻塞获取与定时获取

对于返回的Futute<>

get()：阻塞式的，直到等到结果
get(long,TimeUnit)：定时获取，超过时间就抛出异常。

任务取消 - cancle

任务

public class ResultTask implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return 1+1;
    }
}

1.取消未执行的任务

public class MyThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ResultTask task1 = new ResultTask();
        ResultTask task2 = new ResultTask();

        Future<Integer> future1 = threadPool.submit(task1);
        Future<Integer> future2 = threadPool.submit(task2);

        // 向只有一个线程的下称池提交两个任务，第二个任务就会存放任务队列中暂不执行
        System.out.println("任务是否完成"+ future2.isDone());
        //  取消任务
        boolean isCancle = future2.cancel(false);
        System.out.println("任务是否取消成功" + isCancle);
        System.out.println("任务是否取消成功" + future2.isCancelled());

        // 获取任务结果
        try {
            Integer integer = future2.get();
            System.out.println("任务2结果" + integer);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            threadPool.shutdown();
        }
    }
}

结果：任务取消成功，future获取不到结果出现异常！

任务是否完成false
任务是否取消成功true
任务是否取消成功true
Exception in thread "main" java.util.concurrent.CancellationException
	at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:121)
	at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
	at threads.MyThreadPoolTest.main(MyThreadPoolTest.java:29)

2.取消已经执行完成的任务

public class MyThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ResultTask task1 = new ResultTask();

        Future<Integer> future1 = threadPool.submit(task1);
        // 获取任务结果
        try {
            Integer integer = future1.get();
            System.out.println("任务1结果" + integer);
            System.out.println("任务是否完成"+ future1.isDone());
            //  取消任务
            boolean isCancle = future1.cancel(false);
            System.out.println("任务是否取消成功" + isCancle);
            System.out.println("任务是否取消成功" + future1.isCancelled());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            threadPool.shutdown();
        }
    }
}

结果：已经完成的任务是无法取消的。

任务1结果2
任务是否完成true
任务是否取消成功false
任务是否取消成功false

3.取消正在执行的任务

cancle(boolean)：函数参数，true表示尝试中断正在运行的线程：调用interrupt()

任务改动：

public class ResultTask implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int i = 0;
        // 线程没被中断时递增
        while(!Thread.interrupted()){
            i++;
        }
        System.out.println(i);
        return 1+1;
    }
}

false的情况

public class MyThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ResultTask task1 = new ResultTask();

        Future<Integer> future1 = threadPool.submit(task1);
        System.out.println("任务是否完成"+ future1.isDone());
        //  取消任务
        boolean isCancle = future1.cancel(false);
        System.out.println("任务是否取消成功" + isCancle);
        System.out.println("任务是否取消成功" + future1.isCancelled());
        // 获取任务结果
        try {
            Integer integer = future1.get();
            System.out.println("任务1结果" + integer);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            threadPool.shutdown();
        }
    }
}

结果：false时，任务显示取消成功，调用get()会触发异常，但是实际上任务还是会执行完。

任务是否完成false
任务是否取消成功true
任务是否取消成功true
Exception in thread "main" java.util.concurrent.CancellationException
	at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:121)
	at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
	at threads.MyThreadPoolTest.main(MyThreadPoolTest.java:24)
程序没有结束运行

将传参改为true

执行结果：true时，任务显示取消成功，调用get()会触发异常，但是实际上任务是否继续执行取决于是否响应中断。

任务是否完成false
任务是否取消成功true
249
任务是否取消成功true
Exception in thread "main" java.util.concurrent.CancellationException
	at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:121)
	at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
	at threads.MyThreadPoolTest.main(MyThreadPoolTest.java:24)
程序自动结束运行

线程池执行任务流程

源码：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    // 如果核心线程数没有满的时候，添加核心线程并执行任务
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 成功时则返回
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    
    // 线程池还在运行并且能添加进任务队列时
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 再次判断，如果不再运行就从队列中移除任务，拒绝任务
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 如果线程池中没有可用线程时，必须有线程来执行任务
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 线程池已满，尝试添加非核心线程执行任务
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

增加线程 addWorker

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);
	
        // 标注1
        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }

    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // Recheck while holding lock.
                // Back out on ThreadFactory failure or if
                // shut down before lock acquired.
                int rs = runStateOf(ctl.get());
			// 标注2
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

标注1：当线程池是SHUTDOWN以上的状态时不能增加线程；当线程池是SHUTDOWN状态时，不能因为新增task而增加线程，但可以因为queue不为空而增加线程。

标注2：rs < SHUTDOWN就是RUNNING状态，这里表示只能在RUNNING状态以及SHUTDOWN且无新增任务时增加线程数。

工作线程如何工作

工作线程是死循环，自动getTask()来获取任务并执行的，执行过程中不断判断中断状态。

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
            // if not, ensure thread is not interrupted.  This
            // requires a recheck in second case to deal with
            // shutdownNow race while clearing interrupt
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    // 任务执行
                    task.run();
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        // 抛异常：completedAbruptly=true
        // getTask()获取不到任务 completedAbruptly=false
        // 线程销毁一节查看
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

获取任务：getTask()

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        int wc = workerCountOf(c);

        // Are workers subject to culling?
        // allowCoreThreadTimeOut - 允许核心线程销毁 或者线程数 > 核心线程数
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
		
        
        // getTask 的阻塞唤醒机制是依赖于blockQueue来实现的
        // 判断是否需要销毁，需要销毁返回Null
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            // 带超时的get/阻塞式的get
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
            workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

线程销毁

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // 抛异常：completedAbruptly=true
    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
        decrementWorkerCount();

    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        // 线程集合移除
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }

    tryTerminate();

    int c = ctl.get();
    // 状态为running 或者 shutdown
    if (runStateLessThan(c, STOP)) {
        // getTask()获取不到任务 completedAbruptly=false
        if (!completedAbruptly) {
            int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
            if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                min = 1;
            if (workerCountOf(c) >= min)
                return; // replacement not needed
        }
        // 补充一个工作线程，防止因为task异常导致线程减少
        addWorker(null, false);
    }
}

空闲线程自动销毁：

当getTask()中从queue获取超时就会返回null，然后进入processWorkerExit()来进行空闲线程的销毁。

线程池疑问

1.核心线程是一开始就创建出来的吗？还是逐步创建出来的？逐步创建出来的。

2.核心线程与非核心线程的区别？ - 个人感觉是没有区别的，被销毁的话哪个都有可能。

3.创建非核心线程的时机？当核心线程满了，并且任务队列也满的时候才会添加非核心线程。

callable与runnable如何转换的？

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
    // execute只接受runnable对象
    execute(ftask);
    return ftask;
}

// 通过Future将callable对象转为runnable对象
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
    return new FutureTask<T>(callable);
}

线程池与CPU核心数的关系

经验上：N为CPU核心数

如果是CPU密集型应用，线程池大小应该设置为N+1
如果是IO密集型应用，线程池大小设置为2N+1，eg：数据库数据交互、文件上传下载

+1的目的：即使当线程偶尔由于缺失故障或者其他原因而暂停的时候，这个额外的线程也能够确保CPU的时钟周期不会被浪费。

参考链接：https://blog.csdn.net/u011436427/article/details/103744149

参考链接：

深入理解Java线程池：ThreadPoolExecutor - liuzhihu - 博客园 (cnblogs.com)

https://mp.weixin.qq.com/s/1F_omFouxE9UneSDIrdREg

Java

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