彻底搞懂java并发ThreadPoolExecutor使用

2023-02-28 17:02:57 threadpoolexecutor java 并发

前言

线程池是Java中使用较多的并发框架，合理使用线程池，可以：降低资源消耗，提高响应速度，提高线程的可管理性。

本篇文章将从线程池简单原理，线程池的创建，线程池执行任务和关闭线程池进行使用学习。

正文

一. 线程池的简单原理

当一个任务提交到线程池ThreadPoolExecutor时，该任务的执行如下图所示。

  • 如果当前运行的线程数小于corePoolSzie（核心线程数），则创建新线程来执行任务（需要获取全局锁）；
  • 如果当前运行的线程数等于或大于corePoolSzie，则将任务加入BlockingQueue（任务阻塞队列）；
  • 如果BlockingQueue已满，则创建新的线程来执行任务（需要获取全局锁）；
  • 如果创建新线程会使当前线程数大于maximumPoolSize（最大线程数），则拒绝任务并调用RejectedExecutionHandler的rejectedExecution() 方法。

由于ThreadPoolExecutor存储工作线程使用的集合是HashSet，因此执行上述步骤1和步骤3时需要获取全局锁来保证线程安全，而获取全局锁会导致线程池性能瓶颈，因此通常情况下，线程池完成预热后（当前线程数大于等于corePoolSize），线程池的execute() 方法都是执行步骤2。

二. 线程池的创建

通过ThreadPoolExecutor能够创建一个线程池，ThreadPoolExecutor的构造函数签名如下。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue)
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory)
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler)
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

通过ThreadPoolExecutor创建线程池时，需要指定线程池的核心线程数，最大线程数，线程保活时间，线程保活时间单位和任务阻塞队列，并按需指定线程工厂和饱和拒绝策略，如果不指定线程工厂和饱和拒绝策略，则ThreadPoolExecutor会使用默认的线程工厂和饱和拒绝策略。下面分别介绍这些参数的含义。

参数含义
corePoolSize核心线程数，即线程池的基本大小。当一个任务被提交到线程池时，如果线程池的线程数小于corePoolSize，那么无论其余线程是否空闲，也需创建一个新线程来执行任务。
maximumPoolSize最大线程数。当线程池中线程数大于等于corePoolSize时，新提交的任务会加入任务阻塞队列，但是如果任务阻塞队列已满且线程数小于maximumPoolSize，此时会继续创建新的线程来执行任务。该参数规定了线程池允许创建的最大线程数
keepAliveTime线程保活时间。当线程池的线程数大于核心线程数时，多余的空闲线程会最大存活keepAliveTime的时间，如果超过这个时间且空闲线程还没有获取到任务来执行，则该空闲线程会被回收掉。
unit线程保活时间单位。通过TimeUnit指定线程保活时间的时间单位，可选单位有DAYS（天），HOURS（时），MINUTES（分），SECONDS（秒），MILLISECONDS（毫秒），MICROSECONDS（微秒）和NANOSECONDS（纳秒），但无论指定什么时间单位，ThreadPoolExecutor统一会将其转换为NANOSECONDS。
workQueue任务阻塞队列。线程池的线程数大于等于corePoolSize时，新提交的任务会添加到workQueue中，所有线程执行完上一个任务后，会循环从workQueue中获取任务来执行。
threadFactory创建线程的工厂。可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
handler饱和拒绝策略。如果任务阻塞队列已满且线程池中的线程数等于maximumPoolSize，说明线程池此时处于饱和状态，应该执行一种拒绝策略来处理新提交的任务。

三. 线程池执行任务

1. 执行无返回值任务

通过ThreadPoolExecutor的execute() 方法，能执行Runnable任务，示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void ThreadPoolExecutor执行简单无返回值任务() throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue&lt;&gt;(300));
        // 创建两个任务
        Runnable firstRunnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("第一个任务执行");
            }
        };
        Runnable secondRunnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("第二个任务执行");
            }
        };
        // 让线程池执行任务
        threadPoolExecutor.execute(firstRunnable);
        threadPoolExecutor.execute(secondRunnable);
        // 让主线程睡眠1秒，等待线程池中的任务被执行完毕
        Thread.sleep(1000);
    }
}

运行测试程序，结果如下。

2. 执行有返回值任务

通过ThreadPoolExecutor的submit() 方法，能够执行Callable任务，通过submit() 方法返回的RunnableFuture能够拿到异步执行的结果。示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void ThreadPoolExecutor执行简单有返回值任务() throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue&lt;&gt;(300));
        // 创建两个任务，任务执行完有返回值
        Callable&lt;String&gt; firstCallable = new Callable&lt;String&gt;() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                return "第一个任务返回值";
            }
        };
        Callable&lt;String&gt; secondCallable = new Callable&lt;String&gt;() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                return "第二个任务返回值";
            }
        };
        // 让线程池执行任务
        Future&lt;String&gt; firstFuture = threadPoolExecutor.submit(firstCallable);
        Future&lt;String&gt; secondFuture = threadPoolExecutor.submit(secondCallable);
        // 获取执行结果，拿不到结果会阻塞在get()方法上
        System.out.println(firstFuture.get());
        System.out.println(secondFuture.get());
    }
}

运行测试程序，结果如下。

3. 执行有返回值任务时抛出错误

如果ThreadPoolExecutor在执行Callable任务时，在Callable任务中抛出了异常并且没有捕获，那么这个异常是可以通过Future的get() 方法感知到的。示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void ThreadPoolExecutor执行简单有返回值任务时抛出错误() {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(300));
        // 创建一个任务，任务有返回值，但是执行过程中抛出异常
        Callable<String> exceptionCallable = new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                throw new RuntimeException("发生了异常");
            }
        };
        // 让线程池执行任务
        Future<String> exceptionFuture = threadPoolExecutor.submit(exceptionCallable);
        try {
            System.out.println(exceptionFuture.get());
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

运行测试程序，结果如下。

4. ThreadPoolExecutor通过submit方式执行Runnable

ThreadPoolExecutor可以通过submit() 方法来运行Runnable任务，并且还可以异步获取执行结果。示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void ThreadPoolExecutor通过submit的方式来提交并执行Runnable() throws Exception {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue&lt;&gt;(300));
        // 创建结果对象
        MyResult myResult = new MyResult();
        // 创建Runnable对象
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                myResult.setResult("任务执行了");
            }
        };
        // 通过ThreadPoolExecutor的submit()方法提交Runnable
        Future&lt;MyResult&gt; resultFuture = threadPoolExecutor.submit(runnable, myResult);
        // 获取执行结果
        MyResult finalResult = resultFuture.get();
        // myResult和finalResult的地址实际相同
        Assert.assertEquals(myResult, finalResult);
        // 打印执行结果
        System.out.println(resultFuture.get().getResult());
    }
    private static class MyResult {
        String result;
        public MyResult() {}
        public MyResult(String result) {
            this.result = result;
        }
        public String getResult() {
            return result;
        }
        public void setResult(String result) {
            this.result = result;
        }
    }
}

运行测试程序，结果如下。

实际上ThreadPoolExecutor的submit() 方法无论是提交Runnable任务还是Callable任务，都是将任务封装成了RunnableFuture接口的子类FutureTask，然后调用ThreadPoolExecutor的execute() 方法来执行FutureTask。

四. 关闭线程池

关闭线程池可以通过ThreadPoolExecutor的shutdown() 方法，但是shutdown() 方法不会去中断正在执行任务的线程，所以如果线程池里有Worker正在执行一个永远不会结束的任务，那么shutdown() 方法是无法关闭线程池的。示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void 通过shutdown关闭线程池() {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(300));
        // 创建Runnable对象
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被中断");
            }
        };
        // 让线程池执行任务
        threadPoolExecutor.execute(runnable);
        threadPoolExecutor.execute(runnable);
        // 调用shutdown方法关闭线程池
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 等待3秒观察现象
        LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000 * 3L);
    }
}

运行测试程序，会发现在主线程中等待3秒后，也没有得到预期的打印结果。如果上述测试程序中使用shutdownNow，则是可以得到预期打印结果的，示例如下。

public class ThreadPoolExecutorTest {
    @Test
    public void 通过shutdownNow关闭线程池() {
        // 创建一个线程池
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4,
                60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(300));
        // 创建Runnable对象
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被中断");
            }
        };
        // 让线程池执行任务
        threadPoolExecutor.execute(runnable);
        threadPoolExecutor.execute(runnable);
        // 调用shutdown方法关闭线程池
        threadPoolExecutor.shutdownNow();
        // 等待3秒观察现象
        LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000 * 3L);
    }
}

运行测试程序，打印如下。

因为测试程序中的任务是响应中断的，而ThreadPoolExecutor的shutdownNow() 方法会中断所有Worker，所以执行shutdownNow() 方法后，正在运行的任务会响应中断并结束运行，最终线程池关闭。

假如线程池中运行着一个永远不会结束的任务，且这个任务不响应中断，那么无论是shutdown() 方法还是shutdownNow() 方法，都是无法关闭线程池的。

总结

ThreadPoolExecutor的使用总结如下。

  • 通过ThreadPoolExecutor的execute() 方法能够执行Runnable任务；
  • 通过ThreadPoolExecutor的submit() 方法能够执行Runnable任务和Callable任务，并且能够获取异步的执行结果；
  • ThreadPoolExecutor的submit() 方法会返回一个Future对象（实际就是FutureTask），如果任务执行过程中发生了异常且未捕获，那么可以通过Future的get() 方法感知到异常；
  • ThreadPoolExecutor的submit() 方法无论是提交Runnable任务还是Callable任务，都是将任务封装成了RunnableFuture接口的子类FutureTask，然后调用ThreadPoolExecutor的execute() 方法来执行FutureTask；
  • 关闭线程池时，如果运行的任务可以在有限时间内运行完毕，那么可以使用shutdown() 方法来关闭线程池，这能够保证在关闭线程池时，正在运行的任务会顺利运行完毕；
  • 关闭线程池时，如果运行的任务永远不会结束但是响应中断，那么可以使用shutdownNow() 方法来关闭线程池，这种方式不保证任务顺利运行完毕；
  • 如果任务永远不会结束且不响应中断，那么无论是shutdown() 方法还是shutdownNow() 方法，都无法关闭线程池。

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