Java线程池原理深入分析
Java 线程池原理
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Executor框架的两级调度模型
在HotSpot VM的模型中,Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。JAVA线程启动时会创建一个本地操作系统线程,当JAVA线程终止时,对应的操作系统线程也被销毁回收,而操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。
在上层,JAVA程序会将应用分解为多个任务,然后使用应用级的调度器(Executor)将这些任务映射成固定数量的线程;在底层,操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。
Executor框架类图
在前面介绍的JAVA线程既是工作单元,也是执行机制。而在Executor框架中,我们将工作单元与执行机制分离开来。Runnable和Callable是工作单元(也就是俗称的任务),而执行机制由Executor来提供。这样一来Executor是基于生产者消费者模式的,提交任务的操作相当于生成者,执行任务的线程相当于消费者。
1、从类图上看,Executor接口是异步任务执行框架的基础,该框架能够支持多种不同类型的任务执行策略。
public interface Executor { void execute(Runnable command); }
Executor接口就提供了一个执行方法,任务是Runnbale类型,不支持Callable类型。
2、ExecutorService接口实现了Executor接口,主要提供了关闭线程池和submit方法:
public interface ExecutorService extends Executor { ListshutdownNow(); boolean isTerminated(); Future submit(Callable task); }
另外该接口有两个重要的实现类:ThreadPoolExecutor与ScheduledThreadPoolExecutor。
其中ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类,用来执行被提交的任务;而ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类,可以在给定的延迟后运行任务,或者定期执行命令。
在上一篇文章中,我是使用ThreadPoolExecutor来通过给定不同的参数从而创建自己所需的线程池,但是在后面的工作中不建议这种方式,推荐使用Exectuors工厂方法来创建线程池
这里先来区别线程池和线程组(ThreadGroup与ThreadPoolExecutor)这两个概念:
a、线程组就表示一个线程的集合。
b、线程池是为线程的生命周期开销问题和资源不足问题提供解决方案,主要是用来管理线程。
Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor:SingleThreadExecutor、FixedThreadExecutor和CachedThreadPool
a、SingleThreadExecutor:单线程线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())); }
我们从源码来看可以知道,单线程线程池的创建也是通过ThreadPoolExecutor,里面的核心线程数和线程数都是1,并且工作队列使用的是无界队列。由于是单线程工作,每次只能处理一个任务,所以后面所有的任务都被阻塞在工作队列中,只能一个个任务执行。
b、FixedThreadExecutor:固定大小线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue()); }
这个与单线程类似,只是创建了固定大小的线程数量。
c、CachedThreadPool:无界线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue()); }
无界线程池意味着没有工作队列,任务进来就执行,线程数量不够就创建,与前面两个的区别是:空闲的线程会被回收掉,空闲的时间是60s。这个适用于执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器。
Callable、Future、FutureTash详解
Callable与Future是在JAVA的后续版本中引入进来的,Callable类似于Runnable接口,实现Callable接口的类与实现Runnable的类都是可以被线程执行的任务。
三者之间的关系:
Callable是Runnable封装的异步运算任务。
Future用来保存Callable异步运算的结果
FutureTask封装Future的实体类
1、Callable与Runnbale的区别
a、Callable定义的方法是call,而Runnable定义的方法是run。
b、call方法有返回值,而run方法是没有返回值的。
c、call方法可以抛出异常,而run方法不能抛出异常。
2、Future
Future表示异步计算的结果,提供了以下方法,主要是判断任务是否完成、中断任务、获取任务执行结果
public interface Future{ boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); boolean isCancelled(); boolean isDone(); V get() throws InterruptedException, ExecutionException; V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; }
3、FutureTask
可取消的异步计算,此类提供了对Future的基本实现,仅在计算完成时才能获取结果,如果计算尚未完成,则阻塞get方法。
public class FutureTaskimplements RunnableFuture
public interface RunnableFutureextends Runnable, Future
FutureTask不仅实现了Future接口,还实现了Runnable接口,所以不仅可以将FutureTask当成一个任务交给Executor来执行,还可以通过Thread来创建一个线程。
Callable与FutureTask
定义一个callable的任务:
public class MyCallableTask implements Callable{ @Override public Integer call() throws Exception { System.out.println("callable do somothing"); Thread.sleep(5000); return new Random().nextInt(100); } }
public class CallableTest { public static void main(String[] args) throws Exception { Callablecallable = new MyCallableTask(); FutureTask future = new FutureTask (callable); Thread thread = new Thread(future); thread.start(); Thread.sleep(100); //尝试取消对此任务的执行 future.cancel(true); //判断是否在任务正常完成前取消 System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled()); if(!future.isCancelled()) { System.out.println("future is cancelled"); } //判断任务是否已完成 System.out.println("future is done:" + future.isDone()); if(!future.isDone()) { System.out.println("future get=" + future.get()); } else { //任务已完成 System.out.println("task is done"); } } }
执行结果:
callable do somothing future is cancel:true future is done:true task is done
这个DEMO主要是通过调用FutureTask的状态设置的方法,演示了状态的变迁。
a、第11行,尝试取消对任务的执行,该方法如果由于任务已完成、已取消则返回false,如果能够取消还未完成的任务,则返回true,该DEMO中由于任务还在休眠状态,所以可以取消成功。
future.cancel(true);
b、第13行,判断任务取消是否成功:如果在任务正常完成前将其取消,则返回true
System.out.println("future is cancel:" + future.isCancelled());
c、第19行,判断任务是否完成:如果任务完成,则返回true,以下几种情况都属于任务完成:正常终止、异常或者取消而完成。
我们的DEMO中,任务是由于取消而导致完成。
System.out.println("future is done:" + future.isDone());
d、在第22行,获取异步线程执行的结果,我这个DEMO中没有执行到这里,需要注意的是,future.get方法会阻塞当前线程, 直到任务执行完成返回结果为止。
System.out.println("future get=" + future.get());
Callable与Future
public class CallableThread implements Callable{ @Override public String call() throws Exception { System.out.println("进入Call方法,开始休眠,休眠时间为:" + System.currentTimeMillis()); Thread.sleep(10000); return "今天停电"; } public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); Callable call = new CallableThread(); Future fu = es.submit(call); es.shutdown(); Thread.sleep(5000); System.out.println("主线程休眠5秒,当前时间" + System.currentTimeMillis()); String str = fu.get(); System.out.println("Future已拿到数据,str=" + str + ";当前时间为:" + System.currentTimeMillis()); } }
执行结果:
进入Call方法,开始休眠,休眠时间为:1478606602676 主线程休眠5秒,当前时间1478606608676 Future已拿到数据,str=今天停电;当前时间为:1478606612677
这里的future是直接扔到线程池里面去执行的。由于要打印任务的执行结果,所以从执行结果来看,主线程虽然休眠了5s,但是从Call方法执行到拿到任务的结果,这中间的时间差正好是10s,说明get方法会阻塞当前线程直到任务完成。
通过FutureTask也可以达到同样的效果:
public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); Callablecall = new CallableThread(); FutureTask task = new FutureTask (call); es.submit(task); es.shutdown(); Thread.sleep(5000); System.out.println("主线程等待5秒,当前时间为:" + System.currentTimeMillis()); String str = task.get(); System.out.println("Future已拿到数据,str=" + str + ";当前时间为:" + System.currentTimeMillis()); }
以上的组合可以给我们带来这样的一些变化:
如有一种场景中,方法A返回一个数据需要10s,A方法后面的代码运行需要20s,但是这20s的执行过程中,只有后面10s依赖于方法A执行的结果。如果与以往一样采用同步的方式,势必会有10s的时间被浪费,如果采用前面两种组合,则效率会提高:
1、先把A方法的内容放到Callable实现类的call()方法中
2、在主线程中通过线程池执行A任务
3、执行后面方法中10秒不依赖方法A运行结果的代码
4、获取方法A的运行结果,执行后面方法中10秒依赖方法A运行结果的代码
这样代码执行效率一下子就提高了,程序不必卡在A方法处。
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