Java多线程系列 JUC线程池01 线程池框架

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为什么引入Executor线程池框架

new Thread()的缺点

1. 每次new Thread()耗费性能

2. 调用new Thread()创建的线程缺乏管理，而且可以无限创建，大量线程会占用系统资源导致系统瘫痪

3. 不能进行扩展，比如延时执行或者周期执行

线程池的优点

1. 线程可以重复使用，减少线程创建和销毁的成本

2. 可以控制线程最大并发数，避免系统资源被过多的占用

3. 提供延时执行、周期执行、并发数限制的功能

4. 有助于避免this逃逸问题

this逃逸是指在构造器函数返回之前其他线程已持有了该对象的引用，例如：

package concurrent;

/**
 * this逃逸demo
 */
public class ThisEscape {

    public ThisEscape() {
        new MyThread().start();
    }

    class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            //通过ThisEscape.this就可以引用外围对象，但是此时外围对象还未构造完全，即发生了外围类的this逃逸
        }
    }
}

一种解决方法

package concurrent;

/**
 * 避免this逃逸demo
 */
public class ThisEscape {
   private Thread myThread;

    public ThisEscape() {
        myThread =  new MyThread();
    }

    public void init (){
        myThread.start();
    }
    class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            //通过ThisEscape.this就可以引用外围对象，此时外围对象已构造完全
        }
    }
}

线程池架构

线程池框架包括：ThreadPoolService(线程池)，Executor，Executors，ExecutorService，ScheduledExecutorService，ScheduledThreadPoolService，Future，Callable等。

线程池架构图

1. Executor

它是"执行者"接口，定义了执行任务方法。Executor提供了execute()接口来执行已提交任务, 任务即一个实现了Runnable接口的类。
它只包含一个函数接口：

package java.util.concurrent;

/**
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public interface Executor {

     //  执行任务的方法
    void execute(Runnable command);
}

2. ExecutorService

ExecutorService继承于Executor。定义了提交任务(submit方法)、让执行者执行任务(invokeAll, invokeAny方法)、让线程池关闭（shutdown方法、shutdownNow方法）等方法，它是为"执行者接口Executor"服务而存在的；

ExecutorService的函数列表

package java.util.concurrent;
import java.util.List;
import java.util.Collection;

/**
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public interface ExecutorService extends Executor {

    //调用此方法后，不再接受新任务，只完成线程池中正在执行或者等待的任务。线程池处于SHUTDOWN状态
    void shutdown();

    //调用此方法后，不再接受新任务，暂停处理正在等待的任务，试图停止所有正在执行的任务，并返回等待执行的任务列表。线程池处STOP状态
    List<Runnable> shutdownNow();

    //线程池已不在接受新的任务时，则返回 true
    boolean isShutdown();

    //如果关闭后所有任务都已完成，则返回 true
    boolean isTerminated();

    //请求关闭、发生超时或者当前线程中断，无论哪一个首先发生之后，都将导致阻塞，直到所有任务完成执行
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;

    //提交一个Callable任务，返回一个表示该任务结果的Future
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    //提交一个Runnable任务，返回一个表示该任务结果的Future
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    //提交一个Runnable任务，返回一个表示该任务结果的Future
    Future<?> submit(Runnable task);

    //执行给定的任务，当所有任务完成时，返回保持任务状态和结果Future 列表
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)throws InterruptedException;

    //执行给定的任务，当所有任务完成或超时期满时（无论哪个首先发生），返回保持任务状态和结果的 Future 列表
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;

    //执行给定的任务，如果某个任务已成功完成（也就是未抛出异常），则返回其结果
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)throws InterruptedException, ExecutionException;

    //执行给定的任务，如果在给定的超时期满前某个任务已成功完成（也就是未抛出异常），则返回其结果
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

 3. AbstractExecutorService

AbstractExecutorService是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口。
AbstractExecutorService存在的目的是为ExecutorService中的函数接口提供了默认实现。

4. ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor就是大名鼎鼎的"线程池"。它继承于AbstractExecutorService抽象类。

ThreadPoolExecutor函数列表

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService{

    //用给定的初始参数、默认的线程工厂、被拒绝后的执行处理程序构造新的 ThreadPoolExecutor
    ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)

    //用给定的初始参数、默认的线程工厂构造新的ThreadPoolExecutor
    ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler)

     //用给定的初始参数、默认被拒绝的执行处理程序构造新的ThreadPoolExecutor
    ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory)

    //用给定的初始参数构造新的ThreadPoolExecutor
    ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)

    //在给定线程中的给定 Runnable 执行后所调用的方法。
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t)

    //如果在保持活动时间内没有任务到达，新任务到达时正在替换（如果需要），则设置控制核心线程是超时还是终止的策略。
    void allowCoreThreadTimeOut(boolean value)

    //如果此池允许核心线程超时和终止，如果在 keepAlive 时间内没有任务到达，新任务到达时正在替换（如果需要），则返回 true。
    boolean allowsCoreThreadTimeOut()

    //请求关闭、发生超时或者当前线程中断，无论哪一个首先发生之后，都将导致阻塞，直到所有任务完成执行。
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)

    //在给定线程中的给定 Runnable 执行之前调用的方法。
    protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r)

    //在将来某个时间执行给定任务。
    void execute(Runnable command)

    //当不再引用此执行程序时，调用 shutdown。
    protected void finalize()

    //返回主动执行任务的近似线程数。
    int getActiveCount()

    //返回已完成执行的近似任务总数。
    long getCompletedTaskCount()

    //返回核心线程数。
    int getCorePoolSize()

    //返回线程保持活动的时间，该时间就是超过核心池大小的线程可以在终止前保持空闲的时间值。
    long getKeepAliveTime(TimeUnit unit)

    //返回曾经同时位于池中的最大线程数。
    int getLargestPoolSize()

    //返回允许的最大线程数。
    int getMaximumPoolSize()

    //返回池中的当前线程数。
    int getPoolSize()

    //返回此执行程序使用的任务队列。
    BlockingQueue<Runnable> getQueue()

    //返回用于未执行任务的当前处理程序。
    RejectedExecutionHandler getRejectedExecutionHandler()

    //返回曾计划执行的近似任务总数。
    long getTaskCount()

    //返回用于创建新线程的线程工厂。
    ThreadFactory getThreadFactory()

    //如果此执行程序已关闭，则返回 true。
    boolean isShutdown()

    //如果关闭后所有任务都已完成，则返回 true。
    boolean isTerminated()

    //如果此执行程序处于在 shutdown 或 shutdownNow 之后正在终止但尚未完全终止的过程中，则返回 true。
    boolean isTerminating()

    //启动所有核心线程，使其处于等待工作的空闲状态。
    int prestartAllCoreThreads()

    //启动核心线程，使其处于等待工作的空闲状态。
    boolean prestartCoreThread()

    //尝试从工作队列移除所有已取消的 Future 任务。
    void purge()

    //从执行程序的内部队列中移除此任务（如果存在），从而如果尚未开始，则其不再运行。
    boolean remove(Runnable task)

    //设置核心线程数。
    void setCorePoolSize(int corePoolSize)

    //设置线程在终止前可以保持空闲的时间限制。
    void setKeepAliveTime(long time, TimeUnit unit)

    //设置允许的最大线程数。
    void setMaximumPoolSize(int maximumPoolSize)

    //设置用于未执行任务的新处理程序。
    void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler handler)

    //设置用于创建新线程的线程工厂。
    void setThreadFactory(ThreadFactory threadFactory)

    //按过去执行已提交任务的顺序发起一个有序的关闭，但是不接受新任务。
    void shutdown()

    //尝试停止所有的活动执行任务、暂停等待任务的处理，并返回等待执行的任务列表。
    List<Runnable> shutdownNow()

    //当 Executor 已经终止时调用的方法。
    protected void terminated() 

}

5. ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService是一个接口，它继承于ExecutorService。它相当于提供了"延时"和"周期执行"功能的ExecutorService。
ScheduledExecutorService提供了相应的函数接口，可以安排任务在给定的延迟后执行，也可以让任务周期的执行。

ScheduledExecutorService函数列表

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService{

    //创建并执行在给定延迟后启用的 ScheduledFuture。
    <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)

    //创建并执行在给定延迟后启用的一次性操作。
    ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)

    //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，后续操作具有给定的周期；也就是将在 initialDelay 后开始执行，然后在 initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推。
    ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)

    //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，随后，在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。
    ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)

}

6. ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承于ThreadPoolExecutor，并且实现了ScheduledExecutorService接口。它相当于提供了"延时"和"周期执行"功能的ScheduledExecutorService。
ScheduledThreadPoolExecutor类似于Timer，但是在高并发程序中，ScheduledThreadPoolExecutor的性能要优于Timer。

ScheduledThreadPoolExecutor函数列表

public class ScheduledThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor implements ScheduledExecutorService {

    //使用给定核心池大小创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor
    ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize)

    //使用给定初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor
    ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, RejectedExecutionHandler handler)

    //使用给定的初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor
    ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)

    //使用给定初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor
    ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)

    //修改或替换用于执行 callable 的任务
    protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(Callable<V> callable, RunnableScheduledFuture<V> task)

    //修改或替换用于执行 runnable 的任务。
    protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(Runnable runnable, RunnableScheduledFuture<V> task)

    //使用所要求的零延迟执行命令。
    void execute(Runnable command)

    //获取有关在此执行程序已 shutdown 的情况下、是否继续执行现有定期任务的策略。
    boolean getContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy()

    //获取有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有延迟任务的策略。
    boolean getExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy()

    //返回此执行程序使用的任务队列。
    BlockingQueue<Runnable> getQueue()

    //从执行程序的内部队列中移除此任务（如果存在），从而如果尚未开始，则其不再运行。
    boolean remove(Runnable task)

    //创建并执行在给定延迟后启用的 ScheduledFuture。
    <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)

    //创建并执行在给定延迟后启用的一次性操作。
    ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)

    //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，后续操作具有给定的周期；也就是将在 initialDelay 后开始执行，然后在 initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推。
    ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)

    //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，随后，在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。
    ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)

    //设置有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有定期任务的策略。
    void setContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy(
boolean value)

    //设置有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有延迟任务的策略。
    void setExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy(
boolean value)

    //在以前已提交任务的执行中发起一个有序的关闭，但是不接受新任务。
    void shutdown()

    //尝试停止所有正在执行的任务、暂停等待任务的处理，并返回等待执行的任务列表。
    List<Runnable> shutdownNow()

    //提交一个返回值的任务用于执行，返回一个表示任务结果的Future。
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task)

    //提交一个Runnable任务用于执行，并返回一个表示该任务的Future。
    Future<?> submit(Runnable task)

    //提交一个Runnable任务用于执行，并返回一个表示该任务的Future。
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result)

}

7. Executors

Executors是个静态工厂类。它通过静态工厂方法返回ExecutorService、ScheduledExecutorService、ThreadFactory 和 Callable 等类的对象。

Executors函数列表

public class Executors {

    //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定特权的操作并返回其结果。
    static Callable<Object> callable(PrivilegedAction<?> action)

    //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定特权的异常操作并返回其结果。
    static Callable<Object> callable(PrivilegedExceptionAction<?> action)

    //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定的任务并返回 null。
    static Callable<Object> callable(Runnable task)

    //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定的任务并返回给定的结果。
    static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)

    //返回用于创建新线程的默认线程工厂。
    static ThreadFactory defaultThreadFactory()

    //创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。
    static ExecutorService newCachedThreadPool()

    //和上面方法一样，只是使用了外部提供的 ThreadFactory 创建新线程。
    static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory)

    //创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。
    static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)

    //创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程，在需要时使用提供的 ThreadFactory 创建新线程。
    static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)

    //创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
    static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

    //创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
    static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)

    //创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程。
    static ExecutorService newSingleThreadExecutor()

    //创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程，并在需要时使用提供的 ThreadFactory 创建新线程。
    static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)

    //创建一个单线程执行程序，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
    static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()

    //创建一个单线程执行程序，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
    static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory)

    //返回 Callable 对象，调用它时可在当前的访问控制上下文中执行给定的 callable 对象。
static <T> Callable<T> privilegedCallable(Callable<T> callable)

    //返回 Callable 对象，调用它时可在当前的访问控制上下文中，使用当前上下文类加载器作为上下文类加载器来执行给定的 callable 对象。
    static <T> Callable<T> privilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> callable)

    //返回用于创建新线程的线程工厂，这些新线程与当前线程具有相同的权限。
    static ThreadFactory privilegedThreadFactory()

    //返回一个将所有已定义的 ExecutorService 方法委托给指定执行程序的对象，但是使用强制转换可能无法访问其他方法。
    static ExecutorService unconfigurableExecutorService(ExecutorService executor)

    //返回一个将所有已定义的 ExecutorService 方法委托给指定执行程序的对象，但是使用强制转换可能无法访问其他方法。
    static ScheduledExecutorService unconfigurableScheduledExecutorService(ScheduledExecutorService executor)

}

线程池示例

在分析线程池之前，先看一个简单的线程池示例。

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;

public class ThreadPoolDemo1 {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个可重用固定线程数的线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 创建实现了Runnable接口对象，Thread对象当然也实现了Runnable接口
        Thread ta = new MyThread();
        Thread tb = new MyThread();
        Thread tc = new MyThread();
        Thread td = new MyThread();
        Thread te = new MyThread();
        // 将线程放入池中进行执行
        pool.execute(ta);
        pool.execute(tb);
        pool.execute(tc);
        pool.execute(td);
        pool.execute(te);
        // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " is running.");
    }
}

运行结果：

结果说明：
主线程中创建了线程池pool，线程池的容量是2。即，线程池中最多能同时运行2个线程。
紧接着，将ta,tb,tc,td,te这3个线程添加到线程池中运行。
最后，通过shutdown()关闭线程池。

 

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终于到了小时候羡慕的年纪，却没能成为小时候羡慕的人。