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juc基础——线程池

2023-09-13

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江河入海，知识涌动，这是我参与江海计划的第10篇

juc基础——线程池

前言

本文提要：介绍线程池，了解线程池的参数及使用，深入理解线程池工作原理

学习java，juc是绕不过去的一部分内容，juc也就是

java.util.concurrent

包，为开发者提供了大量高效的线程并发工具，方便我们可以开发出更高性能的代码。而juc其实涉及到的内容有很多，主要包含以下部分：

●

线程池

●

并发集合

●

同步器

●

原子变量

●

锁

●

并发工具类

今天我们就来讲其中比较核心和常用的一个内容——

线程池

一、线程池是什么

线程池是一种线程使用模式，我们都知道线程的创建与销毁会消耗资源，为了减少无谓的消耗而引入了池化技术。而线程池、连接池、对象池等池化技术都有一个共同的特征：重复利用。换句话说，存放在线程池里的线程在执行完一个任务后，可能还会存活，等待着下一次执行任务，这样就

避免

每一个任务都需要进行一次线程的创建和销毁。

二、管理线程池

1. 线程池种类

我们可以看到预置的线程池有三种：

●

threadpoolexecutor

最常见的线程池

●

scheduledthreadpoolexecutor

定时线程池，主要用于执行周期性任务

●

forkjoinpool

拆分合并线程池，把一个大任务切分为若干个子任务并行地执行，最后合并得到这个大任务的结果

更细分的每种线程池也有预置的构建方法，这些构建方法在executors类下，一般情况下，我们创建线程池会使用这些预置的构建方法来获取

2. 线程池参数

线程池不单单有存放线程的作用，还具备“管理”的作用，比如我们的任务提交给线程池，线程池会帮我们找到合适的线程来执行；又比如没有任务或任务太多时，线程池也会自动“休息”或“满负荷运行”。这些管理功能需要我们进行参数的配置，不同配置出来的线程池自然效果不同

可以看到，我们最常用的线程池类就是

threadpoolexecutor

，而它的构造方法支持7个参数，这也就是所谓的

线程池的七大参数：

我们先知道这七大参数的意思即可，更具体的影响我们会在后面原理阶段细说。

3. 创建线程池

我们前面说了，

executors

类下为我们预置了不同种类线程池的预建方法，我们简单介绍下

executors

类下常用的五种线程池

●

newsinglethreadexecutor （单线程化）

●

newfixedthreadpool （定长）

●

newscheduledthreadpool （可定期）

●

newcachedthreadpool （可缓存）

●

newworkstealingpool(分治-任务窃取)

但是使用预置的方式创建线程池并非没有弊端，比如

newfixedthreadpool

和

newsinglethreadexecutor

，主要问题是使用的无界队列，堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存，甚至oom。

newcachedthreadpool

和

newscheduledthreadpool

设置的线程数最大数是integer.max_value，可能会创建数量非常多的线程，甚至oom。

基于这种考虑，所以很多公司的

代码规范会强制要求程序员手动创建线程池

，

如下例子

注意，在上面的创建里，

我们使用了

线程安全的有界队列

，并设定了长度200；

我们自定义了

线程工厂

，这样该线程池创建的线程都有特殊的线程名；

我们选择了

callerrunspolicy 拒绝策略

，一旦线程池满负荷，再往里提交任务就由提交任务的线程自己去运行

其实

拒绝策略

一共有好几种：

●

abortpolicy，这种拒绝策略在拒绝任务时，会直接抛出异常 rejectedexecutionexception （属于runtimeexception），让你感知到任务被拒绝了，于是你便可以根据业务逻辑选择重试或者放弃提交等策略。

●

discardpolicy，这种拒绝策略正如它的名字所描述的一样，当新任务被提交后直接被丢弃掉，也不会给你任何的通知，相对而言存在一定的风险，因为我们提交的时候根本不知道这个任务会被丢弃，可能造成数据丢失。

●

discardoldestpolicy，如果线程池没被关闭且没有能力执行，则会丢弃任务队列中的头结点，通常是存活时间最长的任务，这种策略与第二种不同之处在于它丢弃的不是最新提交的，而是队列中存活时间最长的，这样就可以腾出空间给新提交的任务，但同理它也存在一定的数据丢失风险。

●

callerrunspolicy，相对而言它就比较完善了，当有新任务提交后，如果线程池没被关闭且没有能力执行，则把这个任务交于提交任务的线程执行，也就是谁提交任务，谁就负责执行任务，这样做任务可以保证不丢失。

而关于

核心线程、最大线程

的设置是一个

经验问题

，因此一个常见的经验配置如下，但实际上因为可能因为一个项目包含不止一个线程池，所以数目设置仅供参考


任务特性	特点	常用线程池
cpu密集型任务	应配置尽可能小的线程	cpu数 1
io密集型任务	并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程	2*cpu数
混合型的任务	可拆分成cpu密集型任务和io密集型任务

另外，很多框架也会提供创建线程池的方式，比如

spring的threadpooltaskexecutor

，但因为我们这里主要还是说juc，所以不再展开。

三、线程池状态

每个线程池都会带有一个原子整型，用来表示自己的状态

按bit位来分，（高3位）标记线程池状态，（低29位）表示线程个数

private final atomicinteger ctl = new atomicinteger(ctlof(running, 0));

那么线程池总共有多少种状态呢？一共有五种，它们的变化关系如下：

●

running

状态说明：线程池处在running状态时，能够接收新任务，以及对已添加的任务进行处理。

状态切换：线程池的初始化状态是running。换句话说，线程池被一旦被创建，

就处于running状态，并且线程池中的任务数为0！

●

shutdown

状态说明：线程池处在shutdown状态时，不接收新任务，但能处理已添加的任务。

状态切换：调用线程池的shutdown()接口时，线程池由running -> shutdown。

●

stop

状态说明：线程池处在stop状态时，不接收新任务，不处理已添加的任务，并且会中断正在处理的任务。

状态切换：调用线程池的shutdownnow()接口时，线程池由(running or shutdown ) -> stop。

●

tidying

状态说明：当所有的任务已终止，ctl记录的”任务数量”为0，线程池会变为tidying状态。当线程池变为tidying状态时，会执行钩子函数terminated()。terminated()在threadpoolexecutor类中是空的，若用户想在线程池变为tidying时，进行相应的处理；可以通过重载terminated()函数来实现。

状态切换：当线程池在shutdown状态下，阻塞队列为空并且线程池中执行的任务也为空时，就会由 shutdown -> tidying。

当线程池在stop状态下，线程池中执行的任务为空时，就会由stop -> tidying

●

terminated

状态说明：线程池彻底终止，就变成terminated状态。

状态切换：线程池处在tidying状态时，执行完terminated()之后，就会由 tidying -> terminated

四、线程池的任务提交

在经过上一章的学习后，你应该已经得到了一个executorservice实例了，此时我们可以通过两种方式提交任务(runnable):

tp.execute(runnable)

tp.submit(runnable) 或 tp.submit(task)

这两者我们该怎么选呢，下面我们就来详细讲一下

1. execute

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execute只能用来执行runnable的实现类，而且没有返回值，事实上，这是因为run()本身就没有返回值导致的，因此这种方式，最好用来执行不需要知道结果的任务。

注意：当出现异常时，异常会被catch住，然后throw出来，本线程销毁

2. submit

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●

submit其实内层调用的还是execute，此时传入execute的参数类型是runnablefuture，同时继承runnable 和 future

●

submit可以用来提交runnable或者callable，callable任务带有返回值，因此submit会有一个future返回很合理，通过这个future.get()就能获取返回值;

●

但是runnable任务没有返回值，为什么也有一个future返回呢？其实是你传的runnable 最后还是会被封装成callable后再执行，由于runnable没有返回结果，所以在将runnable包装为callable的时候，会传入一个预期结果null，此时使用get方法返回一个null

注意：当使用的submit时，得益于futuretask中有try-catch来存储异常，所以出现异常，futuretask自己就消化并存起来，并可通过future.get()获取到异常，而不是直接往外抛，因此直接使用submit是不会报错的，线程池里的线程得以存活

五、线程执行异常

我们提交的任务，不总是能顺利执行，一旦出现异常，我们该怎么处理呢？

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在我们提供的runnable的run方法中捕获任务代码可能抛出的所有异常，包括未检测异常。这种方法比较简单，也有他的局限性，不够灵活且增大代码量

使用submit提交任务，在调用future.get()方法时，会将保存的异常重新抛出

在执行任务的过程中，如果出现异常，也可以通过自己写个类，继承threadpoolexecutor并重写该afterexecute()方法来处理，注意，此时线程还是因异常而终止了。

当一个线程因为未捕获的异常而退出时，jvm会把这个事件报告给应用提供的

uncaughtexceptionhandler

异常处理器，于是就有了第三种解决任务代码抛出异常的方案：为工作者线程设置uncaughtexceptionhandler，在uncaughtexception方法中处理异常。

那如何为工作者线程设置uncaughtexceptionhandler呢？threadpoolexecutor的构造函数提供一个threadfactory，可以在其中设置我们自定义的uncaughtexceptionhandler，这里不再赘述。

注意：这个方案不适用于使用submit方式提交任务的情况，原因上面也提到了，futuretask的run方法捕获异常后保存，不再重新抛出，意味着runworker方法并不会捕获到抛出的异常，线程也就不会退出，也不会执行我们设置的uncaughtexceptionhandler。

六、线程池执行步骤（简易）

这一章，我们会说一说当一个任务被提交进线程池，会经历什么步骤？我们可以看以下的

精简步骤

：

任务会优先以核心线程运行，当核心线程达到上限时，再往里面提交线程，会把线程放入队列中等待。除非队列放不下了，才会启用非核心线程来运行任务。所以不要用无界队列。如果非核心线程也满了，则执行拒绝策略

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当然上面说的流程是一个大体方向，具体的细节我们只能通过源码来讲，如果你有源码恐惧症，我也给你提了一个精简版源码流程，如果你也喜欢看源码，可以看下一章的源码级流程。

我们先去创建一个worker（内含一个线程）并且把我们的任务传到worker的firsttask变量里

worker创建完成以后调用runworker方法；

runworker方法里面先把worker自己的firsttask走完（调用runnable.run()），然后会通过gettask()方法从线程池的阻塞队列里面拿缓存的runnable

如果当前线程数超核心线程上限，gettask会以 poll(timeout, unit)取任务，一段时间取不到，就会返回null，worker内部thread的run方法因为没有后续任务而走完，线程生命周期结束；

如果当前线程数没有超核心线程上限，从队列拿任务时，是以take方法去拿，此时会让线程挂起，直到取到任务再返回

取到任务以后再去执行这个任务

七、线程池执行步骤（源码）

1.提交任务，判断是否新建线程执行，或者加入阻塞队列

2.新增worker（加任务，将任务新建线程，并启动线程来执行）

3.任务执行

4.获取其他任务（获取阻塞队列里的任务task）

5.执行完task后的后续处理

总结

上面我们已经非常详细的讲解了线程池的方方面面，对于线程的使用，注意事项乃至原理，应该都有相当深刻的了解了，如果你有什么补充和意见，也欢迎评论区留下你的想法

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