Java多线程系列 JUC线程池03 线程池原理解析(二)

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Executors创建线程池

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创建线程池的函数列表

public class Executors {

   //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)

}

 

1. newFixedThreadPool()

newFixedThreadPool()在Executors.java中定义，源码如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

说明：newFixedThreadPool(int nThreads)中执行ThreadPoolExecutor()来构造线程池，它将corePoolSize和maximumPoolSize都设定为了nThreads，这样便实现了线程池的大小的固定，不会动态地扩大，另外，有两个参数是失效的keepAliveTime和maximumPoolSize，因为只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用 ，只有阻塞队列满时才会根据创建的线程数和maximumPoolSize做比较，但是这里创建的是无边界阻塞队列，所以阻塞队列理论上永远不会满(最大为Integer.MAX_VALUE)；

2.newSingleThreadExecutor()

newSingleThreadExecutor()在Executors.java中定义，源码如下：

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

说明：newSingleThreadExecutor()执行FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor())来构造线程池，初始化的线程池中只有一个线程，如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行.由于使用了无界队列, 所以SingleThreadPool永远不会拒绝, 即拒绝策略失效

3.newScheduledThreadPool()

newScheduledThreadPool()在Executors.java中定义，源码如下：

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

说明：newSingleThreadExecutor()执行ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize)来构造调度型线程池，corePoolSize由外部定义，线程池的线程可以按schedule依次delay执行，或周期执行。

4. newCachedThreadPool()

newCachedThreadPool()在Executors.java中定义，源码如下：

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

说明：newCachedThreadPool()执行ThreadPoolExecutor()来构造线程池，它将corePoolSize设定为0，而将maximumPoolSize设定为了Integer的最大值，和newFixedThreadPool创建的线程池不同，newCachedThreadPool在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime时，会将线程会从线程池中移除。由于核心线程数为0，因此每次添加任务，都会先从线程池中找空闲线程，如果没有就会创建一个线程来执行新的任务，并将该线程加入到线程池中，而最大允许的线程数为Integer的最大值，因此这个线程池理论上可以不断扩大。

执行过程与前两种稍微不同: 
(1) 主线程调用SynchronousQueue的offer()方法放入task, 倘若此时线程池中有空闲的线程尝试读取 SynchronousQueue的task, 即调用了SynchronousQueue的poll(), 那么主线程将该task交给空闲线程. 否则执行(2) 
(2) 当线程池为空或者没有空闲的线程, 则创建新的线程执行任务. 
(3) 执行完任务的线程倘若在60s内仍空闲, 则会被终止. 因此长时间空闲的CachedThreadPool不会持有任何线程资源.

一般来说，CachedTheadPool在程序执行过程中通常会创建与所需数量相同的线程，然后在它回收旧线程时停止创建新线程，因此它是合理的Executor的首选，只有当这种方式会引发问题时（比如需要大量长时间面向连接的线程时），才需要考虑用FixedThreadPool。

拒绝策略介绍

线程池的拒绝策略，是指当任务添加到线程池时被拒绝，而采取的处理措施。
当任务添加到线程池时之所以被拒绝，可能是由于：第一，线程池异常关闭。第二，任务数量超过线程池的最大限制。

线程池共包括4种拒绝策略，它们分别是：AbortPolicy, CallerRunsPolicy, DiscardOldestPolicy和DiscardPolicy。

AbortPolicy         -- 当任务添加到线程池中被拒绝时，它将抛出 RejectedExecutionException 异常。
CallerRunsPolicy    -- 当任务添加到线程池中被拒绝时，会在线程池当前正在运行的Thread线程池中处理被拒绝的任务。
DiscardOldestPolicy -- 当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池会放弃等待队列中最旧的未处理任务，然后将被拒绝的任务添加到等待队列中。
DiscardPolicy       -- 当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池将丢弃被拒绝的任务。

线程池默认的处理策略是AbortPolicy！

下面通过示例，分别演示线程池的4种拒绝策略。

1. DiscardPolicy 示例

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy;

public class DiscardPolicyDemo {

    private static final int THREADS_SIZE = 1;
    private static final int CAPACITY = 1;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE)，"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
        // 设置线程池的拒绝策略为"丢弃"
        pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

        // 新建10个任务，并将它们添加到线程池中。
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
            pool.execute(myrun);
        }
        // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    private String name;
    public MyRunnable(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(this.name + " is running.");
            Thread.sleep(100);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

task-0 is running.
task-1 is running.

结果说明：线程池pool的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE)，这意味着"线程池能同时运行的任务数量最大只能是1"。
线程池pool的阻塞队列是ArrayBlockingQueue，ArrayBlockingQueue是一个有界的阻塞队列，ArrayBlockingQueue的容量为1。这也意味着线程池的阻塞队列只能有一个线程池阻塞等待。
线程池中共运行了2个任务。第1个任务直接放到Worker中，通过线程去执行；第2个任务放到阻塞队列中等待。其他的任务都被丢弃了！

2. DiscardOldestPolicy 示例

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy;

public class DiscardOldestPolicyDemo {

    private static final int THREADS_SIZE = 1;
    private static final int CAPACITY = 1;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE)，"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
        // 设置线程池的拒绝策略为"DiscardOldestPolicy"
        pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());

        // 新建10个任务，并将它们添加到线程池中。
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
            pool.execute(myrun);
        }
        // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    private String name;
    public MyRunnable(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(this.name + " is running.");
            Thread.sleep(200);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

task-0 is running.
task-9 is running.

结果说明：将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为DiscardOldestPolicy之后，当有任务添加到线程池被拒绝时，线程池会丢弃阻塞队列中末尾的任务，然后将被拒绝的任务添加到末尾。

3. AbortPolicy 示例

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionException;

public class AbortPolicyDemo {

    private static final int THREADS_SIZE = 1;
    private static final int CAPACITY = 1;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE)，"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
        // 设置线程池的拒绝策略为"抛出异常"
        pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        try {

            // 新建10个任务，并将它们添加到线程池中。
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
                pool.execute(myrun);
            }
        } catch (RejectedExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
            // 关闭线程池
            pool.shutdown();
        }
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    private String name;
    public MyRunnable(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(this.name + " is running.");
            Thread.sleep(200);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

某一次运行结果：

java.util.concurrent.RejectedExecutionException
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$AbortPolicy.rejectedExecution(ThreadPoolExecutor.java:1774)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.reject(ThreadPoolExecutor.java:768)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:656)
    at AbortPolicyDemo.main(AbortPolicyDemo.java:27)
task-0 is running.
task-1 is running.

结果说明：将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为AbortPolicy之后，当有任务添加到线程池被拒绝时，会抛出RejectedExecutionException。

4. CallerRunsPolicy 示例

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy;

public class CallerRunsPolicyDemo {

    private static final int THREADS_SIZE = 1;
    private static final int CAPACITY = 1;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 创建线程池。线程池的"最大池大小"和"核心池大小"都为1(THREADS_SIZE)，"线程池"的阻塞队列容量为1(CAPACITY)。
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(THREADS_SIZE, THREADS_SIZE, 0, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(CAPACITY));
        // 设置线程池的拒绝策略为"CallerRunsPolicy"
        pool.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

        // 新建10个任务，并将它们添加到线程池中。
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable myrun = new MyRunnable("task-"+i);
            pool.execute(myrun);
        }

        // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    private String name;
    public MyRunnable(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(this.name + " is running.");
            Thread.sleep(100);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

某一次运行结果：

task-2 is running.
task-3 is running.
task-4 is running.
task-5 is running.
task-6 is running.
task-7 is running.
task-8 is running.
task-9 is running.
task-0 is running.
task-1 is running.

结果说明：将"线程池的拒绝策略"由DiscardPolicy修改为CallerRunsPolicy之后，当有任务添加到线程池被拒绝时，线程池会将被拒绝的任务添加到"线程池正在运行的线程"中运行。

Executor执行Runnable任务

通过Executors的以上四个静态工厂方法获得 ExecutorService实例，而后调用该实例的execute（Runnable command）方法即可。一旦Runnable任务传递到execute（）方法，该方法便会自动在一个线程上执行。下面是Executor执行Runnable任务的示例代码：

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

public class ThreadPoolDemo2 {
    public static void main(String[] args){
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
//      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
//      ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 5; i++){
            executorService.execute(new TestRunnable());
            System.out.println("************* a" + i + " *************");
        }
        executorService.shutdown();
    }
}
class TestRunnable implements Runnable{
    public void run(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程被调用了。");
    }
}

某次执行后的结果如下：

************* a0 *************
************* a1 *************
************* a2 *************
pool-1-thread-1线程被调用了。
************* a3 *************
************* a4 *************
pool-1-thread-2线程被调用了。
pool-1-thread-4线程被调用了。
pool-1-thread-3线程被调用了。
pool-1-thread-5线程被调用了。

从结果中可以看出，pool-1-thread-1和pool-1-thread-2均被调用了两次，这是随机的，execute会首先在线程池中选择一个已有空闲线程来执行任务，如果线程池中没有空闲线程，它便会创建一个新的线程来执行任务。

Executor执行Callable任务

在Java 5之后，任务分两类：一类是实现了Runnable接口的类，一类是实现了Callable接口的类。两者都可以被ExecutorService执行，但是Runnable任务没有返回值，而Callable任务有返回值。并且Callable的call()方法只能通过ExecutorService的submit(Callable<T> task) 方法来执行，并且返回一个 <T>Future<T>，是表示任务等待完成的 Future。

Callable接口类似于Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常而Callable又返回结果，而当获取返回结果时可能会抛出异常。Callable中的call()方法类似Runnable的run()方法，区别同样是有返回值，后者没有。

当将一个Callable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该call方法自动在一个线程上执行，并且会返回执行结果Future对象。同样，将Runnable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该run方法自动在一个线程上执行，并且会返回执行结果Future对象，但是在该Future对象上调用get方法，将返回null。

下面给出一个Executor执行Callable任务的示例代码：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolDemo3 {
    public static void main(String[] args){
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        List<Future<String>> resultList = new ArrayList<>();

        //创建10个任务并执行
        for (int i = 0; i < 10; i++){
            //使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中
            Future<String> future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));
            //将任务执行结果存储到List中
            resultList.add(future);
        }

        //遍历任务的结果
        for (Future<String> fs : resultList){
            try{
                while(!fs.isDone());//Future返回如果没有完成，则一直循环等待，直到Future返回完成
                System.out.println(fs.get());     //打印各个线程（任务）执行的结果
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }catch(ExecutionException e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                //启动一次顺序关闭，执行以前提交的任务，但不接受新任务
                executorService.shutdown();
            }
        }
    }
}
class TaskWithResult implements Callable<String> {
    private int id;

    public TaskWithResult(int id){
        this.id = id;
    }

    /**
     * 任务的具体过程，一旦任务传给ExecutorService的submit方法，
     * 则该方法自动在一个线程上执行
     */
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("call()方法被自动调用！！！    " + Thread.currentThread().getName());
        //该返回结果将被Future的get方法得到
        return "call()方法被自动调用，任务返回的结果是：" + id + "    " + Thread.currentThread().getName();
    }
}

某次执行结果如下：

call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-1
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：0    pool-1-thread-1
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-4
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-3
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-5
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：1    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：2    pool-1-thread-3
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：3    pool-1-thread-4
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：4    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：5    pool-1-thread-5
call()方法被自动调用！！！    pool-1-thread-6
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：6    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：7    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：8    pool-1-thread-2
call()方法被自动调用，任务返回的结果是：9    pool-1-thread-6

从结果中可以同样可以看出，submit也是首先选择空闲线程来执行任务，如果没有，才会创建新的线程来执行任务。另外，需要注意：如果Future的返回尚未完成，则get（）方法会阻塞等待，直到Future完成返回，可以通过调用isDone（）方法判断Future是否完成了返回。

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坚持修行，别让才华配不上梦想，还辜负了所有的苦难。