核心线程池的内部实现(读书笔记)

     对于核心的几个线程池,无论是newFixedThreadPool()方法,newSingleThreadExecutor()还是newCachedThreadPool()方法,虽然看起来创建的线程有着完全不同的功能特点,但其内部实现均使用了ThreadPoolExecutor实现,下面给出了三个线程池的实现方式.
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}
  由以上线程池的实现代码可以看到,他们都是ThreadPoolExecutor类的封装. 让我们看一下ThreadPoolExecutor最重要的构造器:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)
函数的参数如下:
  • corePoolSize 指定线程池中的线程数量
  • maximumPoolSize 指定了线程池中的最大线程数量
  • keepAliveTime 当前线程池数量超过corePoolSize时,多余的空闲线程的存活时间,
  • uintkeepAliveTime的单位
  • workQueue 队伍队列,被提交但尚未被执行的任务.
  • threadFactory:线程工厂 用于创建线程,一般用默认即可
  • handler 拒绝策略 当任务太多来不及处理,如何拒绝任务
 
     以上参数中,大多数都很简单,只有workQueue和handler需要进行详细说明.
参数workQueue指被提交但未执行的任务队列,他是一个BlockingQueue接口的对象,用于存放Runable对象,根据队列功能分类,子ThreadPoolExecutor的构造函数中使用一下几种BlockIngQueue.
  • 直接提交的队列,改功能由synchronousQueue对象提供,SynchronousQueue是一个特殊的BlockingQueue.这个队列没有容量,每一个插入操作都要等待一个响应的删除操作,反之,每一个删除操作都要等待对应的插入操作,如果使用SynchronousQueue,提交的任务不会真实的保存,而总是将新任务提交给线程执行, 如果没有空闲的进程,则尝试创建新的进程,如果进程数量已经达到最大值,则执行拒绝策略,使用SynchronousQueue队列,通常要设置很大的maximumPoolSize值,否则很容易执行拒绝策略.
  • 有界的任务队列,有界的任务队列可以使用ArrayBlockingQueue实现,ArrayBlockingQueue的构造函数必须带一个容量参数,表示该队列的最大容量,如写所示:
public ArrayBlockingQueue(int capacity)
          当使用有界的任务队列时,若有新的任务需要执行,如果线程池的实际线程数小于corePoolSize,则会优先创建新的新线程,若大于corePoolSize,则会将新任务加入等待队列,若等待队列已经满,无法加入,则在总线程不大于maximumPoolSize的前提下,创建新的线程执行任务,若大于maximumPoolSize,则执行拒绝策略,可见,有界队列金当在任务队列装满时,才可能将线程数量提升到corePoolSize以上,换言之,除非系统非常繁忙.否则确保核心线程维持在corePoolSize.
  • 无界的任务队列:无界的任务队列可以通过LinkedBlockingQueue类实现,与有界队列相比,除非系统资源耗尽,否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况,当有新的任务到来,系统的线程数小于corePoolSize时,线程池会生成新的线程执行任务,但当系统的线程数达到corePoolSize后,就并不会继续增加,若后续仍有席你的任务加入,而又没有空闲的线程资源,责任务直接进入对列等待,若任务创建和处理的速度差异很大,无界队列会保持快速增长,直到耗尽系统内存.
  • 优先任务队列:优先任务队列是带有执行优先级的队列,它通过PriorityBlockingQueue实现,可以控制任务的执行顺序,他是一个特殊的无界队列,无论是有界队列ArrayBlockingQueue,还是未指定大小的无界队列LinkedBlockingQueue都是按照先进先出的算法处理任务的,而PriorityBlockingQueue则可以根据自身的优先级顺序先后执行,确保系统性能的同时,也能有很好的质量保证.
回顾newFixedThreadPool()的方法实现,
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
     我们发现它用了corePoolSize和maximumPoolSize大小一样,并且使用了LingkedBlockingQueue任务队列的线程池.因为固定大小的线程池而言,不存在线程数量的动态变化,同时它使用无界队列存放无法立即执行的任务,当任务提交非常频繁的时候,改队列可能迅速膨胀.从而耗尽系统性能.
     newSingleThreadExecutor()返回的单线程线程池,是newFixedThreadPool()方法的一种退化,只是简单的将线程池线程数量设置为1
     newCachedThreadPool()方法的实现:
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                  threadFactory);
}
这就意味着无任务时,线程池内无线程,而当任务提交时,该线程池会使用空闲的线程执行任务,若无空闲线程,则将任务加入SynchronousQueue队列,而SynchronousQueue队列是一种直接提交的队列,他总会迫使线程池增加新的线程执行任务,.当任务执行完毕后,由于corePoolSize为0 因此空闲线程又会在指定的60s内回收.
     对于这个线程池,如果同时有大量任务被提交,而任务的执行又不那么快,那么系统便会开启等量的线程处理,这样做法可能会很快耗尽系统的资源,
这里我们看一看ThreadPoolExecutor线程池的核心调度代码,这段代码也充分体现了上述线程池的工作逻辑:
public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    /*
     * Proceed in 3 steps:
     *
     * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
     * start a new thread with the given command as its first
     * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
     * workerCount, and so prevents false alarms that would add
     * threads when it shouldn't, by returning false.
     *
     * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
     * to double-check whether we should have added a thread
     * (because existing ones died since last checking) or that
     * the pool shut down since entry into this method. So we
     * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
     * stopped, or start a new thread if there are none.
     *
     * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
     * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
     * and so reject the task.
     */
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}
     workerCountOf()方法取得了当前线程池的线程总数,当线程总数小于corePoolSize核心线程数时,会将任务通过addWorker()方法直接调度执行,否则则在workQueue.offer()进入等待队列,如果进入等待队列失败,则会执行将任务直接提交给线程池,如果当期已经达到maximumPoolSize,则提交失败,执行拒绝策略.
  • 超负载了怎么办:拒绝策略
ThreadPoolExecutor的最后一个参数制定了拒绝策略,也就是当任务数量超过系统实际承载能力时,该如何处理呢?这时候就要用到拒绝策略了,,
JDK内置提供了四种拒绝策略. 
  • AbortPolicy策略:该策略会直接抛出异常,阻止系统正常工作
  • CallerRunsPolicy策略,只要线程池未关闭,该策略直接在调用者线程中,运行当前被丢弃的任务.显然这样做不会真的丢弃任务,但是任务提交线程的性能极有可能会急剧下降.
  • DiscardOledestPolicy策略: 改策略将丢弃最古老的一个请求,也就是即将被执行的一个任务,并尝试再次提交当前任务.
  • DiscardPolicy策略,该策略默默的丢弃无法处理的任务,不与任何处理,如果允许人物丢弃,我觉得这可能是最好的一种方案了吧!
以上内置策略均实现了RejectedExecutionHandler接口 若以上策略仍无法满足实际应用需要,完全可以自己拓展RejectedExecutionHandler接口 定义如下:
/**
 * A handler for tasks that cannot be executed by a {@link ThreadPoolExecutor}.
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public interface RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Method that may be invoked by a {@link ThreadPoolExecutor} when
     * {@link ThreadPoolExecutor#execute execute} cannot accept a
     * task.  This may occur when no more threads or queue slots are
     * available because their bounds would be exceeded, or upon
     * shutdown of the Executor.
     *
     * <p>In the absence of other alternatives, the method may throw
     * an unchecked {@link RejectedExecutionException}, which will be
     * propagated to the caller of {@code execute}.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param executor the executor attempting to execute this task
     * @throws RejectedExecutionException if there is no remedy
     */
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}
其中r为请求执行的任务,executor为当前线程池.
 
我们简单的自定义线程池和拒绝策略的使用:
public class RejectThreadPoolDemo {
    public static class MyTask implements Runnable {
        /**
         * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
         * to create a thread, starting the thread causes the object's
         * <code>run</code> method to be called in that separately executing
         * thread.
         * <p>
         * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
         * take any action whatsoever.
         *
         * @see Thread#run()
         */
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":Thread ID:" + Thread.currentThread().getId());
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            MyTask task = new MyTask();
            ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5,
                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<>(10),
                    Executors.defaultThreadFactory(),
                    (r, executor) -> System.out.println(r.toString() + " is discard"));
            for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                es.submit(task);
                Thread.sleep(10);
            }
        }
    }
}
     上诉代码我们自定义了一个线程池,该池子有5个常驻线程,并且最大的线程数也是5个,这和固定大小的线程池是一样的,但是他却拥有一个只有10个容量的等待队列,因为使用无界队列很可能不是最佳解决方案,如果任务量极大,很可能会吧内存呈爆,给一个合理的队列大小,也合乎常理的选择,同时,这里定义了拒绝策略,.我们不抛出异常,因为万一在任务提交端没有进行异常处理,则有可能使得整个系统都崩溃,这极有可能不是我们希望遇到的,但作为必要的信息记录,我们将任务丢弃的信息进行打印.当然这是比内置的DiscardPolicy策略高级那么一点点,
     由于上述代码中,MyTask执行需要花费100毫秒,因此 必然导致大量的任务被直接丢弃,输入如下:
     在实际的应用中,我们可以将更详细的信息记录到日志中,来分析系统的负载和任务丢失的情况
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