Ausführliche Erklärung und Beispielcode des Java-Thread-Pools

Technischer Hintergrund des Thread-Pools

Bei der objektorientierten Programmierung ist das Erstellen und Zerstören von Objekten sehr zeitaufwändig, da zum Erstellen eines Objekts Speicherressourcen oder andere Ressourcen benötigt werden. Dies gilt insbesondere für Java, wo die virtuelle Maschine versucht, den Überblick über jedes Objekt zu behalten, damit es nach der Zerstörung des Objekts durch den Müll gesammelt werden kann.

Eine Möglichkeit, die Effizienz von Serviceprogrammen zu verbessern, besteht darin, die Anzahl der erstellten und zerstörten Objekte so weit wie möglich zu reduzieren, insbesondere die Erstellung und Zerstörung einiger sehr ressourcenintensiver Objekte. Die Verwendung vorhandener Objekte für die Bereitstellung ist ein zentrales Problem, das gelöst werden muss. Tatsächlich ist dies der Grund für die Entstehung einiger „Pooled Resource“-Technologien.

Zum Beispiel sind viele gängige Komponenten in Android im Allgemeinen untrennbar mit dem Konzept des „Pools“ verbunden, z. B. verschiedene Bildladebibliotheken, Netzwerkanforderungsbibliotheken und sogar Meaasge im Messaging-Mechanismus von Android. ) ist das Objekt im Meaasge-Pool, daher ist dieses Konzept sehr wichtig. Die in diesem Artikel vorgestellte Thread-Pool-Technologie steht ebenfalls im Einklang mit dieser Idee.

Vorteile des Thread-Pools:

1. Threads im Thread-Pool wiederverwenden und den durch Objekterstellung und -zerstörung verursachten Leistungsaufwand reduzieren;

2 Anzahl gleichzeitiger Threads, Verbesserung der Systemressourcennutzung und Vermeidung übermäßiger Ressourcenkonkurrenz und -überlastung;

3. Kann eine einfache Verwaltung von Multithreads durchführen, wodurch die Thread-Nutzung einfach und effizient wird.

Thread-Pool-Framework Executor

Der Thread-Pool in Java wird über das Executor-Framework implementiert. Das Executor-Framework umfasst Klassen: Executor, Executors, ExecutorService, ThreadPoolExecutor, Callable und Future, FutureTask Verwendung usw.

Executor: Alle Thread-Pool-Schnittstellen haben nur eine Methode.

public interface Executor { 
 void execute(Runnable command); 
}

ExecutorService: Fügt Executor-Verhalten hinzu und ist die direkteste Schnittstelle der Executor-Implementierungsklasse.

Executors: Bietet eine Reihe von Factory-Methoden zum Erstellen von Thread-Pools, und die zurückgegebenen Thread-Pools implementieren alle die ExecutorService-Schnittstelle.

ThreadPoolExecutor: Die spezifische Implementierungsklasse des Thread-Pools wird basierend auf dieser Klasse implementiert. Die Konstruktionsmethode lautet wie folgt:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
        int maximumPoolSize,
        long keepAliveTime,
        TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
 
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
 
}

corePoolSize: Die Anzahl der im Thread-Pool ausgeführten Threads überschreitet standardmäßig niemals corePoolSize , es kann immer überleben. Sie können „allowCoreThreadTimeOut“ auf „True“ setzen. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Anzahl der Kernthreads 0. Zu diesem Zeitpunkt steuert keepAliveTime das Timeout aller Threads.

maximumPoolSize: die maximal zulässige Anzahl von Threads im Thread-Pool;

keepAliveTime: bezieht sich auf das Timeout für das Ende inaktiver Threads;

Einheit: ist eine Aufzählung, die Folgendes darstellt keepAliveTime Unit;

workQueue: Stellt die BlockingQueue

BlockingQueue: BlockingQueue ist ein Tool unter java.util.concurrent, das hauptsächlich zur Steuerung der Thread-Synchronisation verwendet wird. Wenn die BlockQueue leer ist, wird der Vorgang zum Abrufen von Dingen aus der BlockingQueue blockiert und in den Wartezustand versetzt und erst aktiviert, wenn etwas in die BlockingQueue eintritt. Wenn die BlockingQueue voll ist, wird ebenfalls jede Operation blockiert, die versucht, etwas darin zu speichern, und in den Wartezustand versetzt. Sie wird nicht aktiviert, um den Vorgang fortzusetzen, bis Platz in der BlockingQueue vorhanden ist. Blockierende Warteschlangen werden häufig in Produzenten- und Verbraucherszenarien verwendet. Der Produzent ist der Thread, der Elemente zur Warteschlange hinzufügt, und der Verbraucher ist der Thread, der Elemente aus der Warteschlange übernimmt. Die Blockierungswarteschlange ist ein Container, in dem der Produzent Elemente speichert und der Verbraucher nur Elemente aus dem Container entnimmt. Zu den spezifischen Implementierungsklassen gehören LinkedBlockingQueue, ArrayBlockingQueued usw. Im Allgemeinen werden Blockierung und Aktivierung intern durch Sperre und Bedingung (Anzeigesperre (Sperre) und Bedingungslernen und -verwendung) implementiert.

Der Arbeitsprozess des Thread-Pools ist wie folgt:

Wenn der Thread-Pool zum ersten Mal erstellt wird, enthält er keinen Thread. Die Aufgabenwarteschlange wird als Parameter übergeben. Selbst wenn sich Aufgaben in der Warteschlange befinden, werden diese vom Thread-Pool nicht sofort ausgeführt.

Wenn die Methodeexecute() aufgerufen wird, um eine Aufgabe hinzuzufügen, trifft der Thread-Pool die folgende Beurteilung:

Wenn die Anzahl der laufenden Threads kleiner als corePoolSize ist, wird ein Thread erstellt Wird sofort erstellt, um die Aufgabe auszuführen.

Wenn die Anzahl der ausgeführten Threads größer oder gleich corePoolSize ist, wird die Aufgabe in die Warteschlange gestellt.

Wenn die Warteschlange zu diesem Zeitpunkt voll ist, und die Anzahl der laufenden Threads ist kleiner als MaximumPoolSize, dann müssen Sie immer noch einen Nicht-Kern-Thread erstellen, der die Aufgabe sofort ausführt

Wenn die Warteschlange voll ist und die Anzahl der laufenden Threads größer oder gleich ist Auf MaximumPoolSize wirft der Thread-Pool eine Ausnahme RejectExecutionException.

Wenn ein Thread eine Aufgabe abschließt, nimmt er eine Aufgabe aus der Warteschlange und führt sie aus.

Wenn ein Thread nichts zu tun hat und eine bestimmte Zeit (keepAliveTime) überschreitet, bestimmt der Thread-Pool, dass der Thread gestoppt wird, wenn die Anzahl der aktuell ausgeführten Threads größer als corePoolSize ist. Nachdem alle Aufgaben des Thread-Pools abgeschlossen sind, wird er schließlich auf die Größe von corePoolSize verkleinert.

Erstellung und Verwendung von Thread-Pools

Die statische Methode der Toolklasse Executors wird zum Generieren von Thread-Pools verwendet. Im Folgenden sind mehrere gängige Thread-Pools aufgeführt.

SingleThreadExecutor: einzelner Hintergrundthread (seine Pufferwarteschlange ist unbegrenzt)

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

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个核心线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

FixedThreadPool：只有核心线程的线程池,大小固定 (其缓冲队列是无界的) 。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue());
}
创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

CachedThreadPool：无界线程池，可以进行自动线程回收。

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

如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。SynchronousQueue是一个是缓冲区为1的阻塞队列。

ScheduledThreadPool：核心线程池固定，大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

public static ExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {  
 return new ScheduledThreadPool(corePoolSize,
    Integer.MAX_VALUE,            
    DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,            
    new DelayedWorkQueue());
}

创建一个周期性执行任务的线程池。如果闲置,非核心线程池会在DEFAULT_KEEPALIVEMILLIS时间内回收。

线程池最常用的提交任务的方法有两种：

execute:

ExecutorService.execute(Runnable runable)；

submit:

FutureTask task = ExecutorService.submit(Runnable runnable);
FutureTask task = ExecutorService.submit(Runnable runnable,T Result);

FutureTask task = ExecutorService.submit(Callable callable);

submit(Callable callable)的实现，submit(Runnable runnable)同理。

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
 if (task == null) throw new NullPointerException();
 FutureTask<T> ftask = newTaskFor(task);
 execute(ftask);
 return ftask;
}

可以看出submit开启的是有返回结果的任务，会返回一个FutureTask对象，这样就能通过get()方法得到结果。submit最终调用的也是execute(Runnable runable)，submit只是将Callable对象或Runnable封装成一个FutureTask对象，因为FutureTask是个Runnable，所以可以在execute中执行。关于Callable对象和Runnable怎么封装成FutureTask对象，见Callable和Future、FutureTask的使用。

线程池实现的原理

如果只讲线程池的使用，那这篇博客没有什么大的价值，充其量也就是熟悉Executor相关API的过程。线程池的实现过程没有用到Synchronized关键字，用的都是Volatile,Lock和同步(阻塞)队列,Atomic相关类，FutureTask等等，因为后者的性能更优。理解的过程可以很好的学习源码中并发控制的思想。

在开篇提到过线程池的优点是可总结为以下三点：

线程复用

控制最大并发数

管理线程

1.线程复用过程

理解线程复用原理首先应了解线程生命周期。

在线程的生命周期中，它要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态。

Thread通过new来新建一个线程，这个过程是是初始化一些线程信息，如线程名，id,线程所属group等，可以认为只是个普通的对象。调用Thread的start()后Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，同时将hasBeenStarted为true,之后调用start方法就会有异常。

处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行，取决于JVM里线程调度器的调度。当线程获取cpu后，run()方法会被调用。不要自己去调用Thread的run()方法。之后根据CPU的调度在就绪——运行——阻塞间切换，直到run()方法结束或其他方式停止线程，进入dead状态。

所以实现线程复用的原理应该就是要保持线程处于存活状态（就绪，运行或阻塞）。接下来来看下ThreadPoolExecutor是怎么实现线程复用的。

在ThreadPoolExecutor主要Worker类来控制线程的复用。看下Worker类简化后的代码，这样方便理解：

private final class Worker implements Runnable {
final Thread thread;
 
Runnable firstTask;
 
Worker(Runnable firstTask) {
 
this.firstTask = firstTask;
 
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
 
}
 
public void run() {
 
runWorker(this);
 
}
 
final void runWorker(Worker w) {
 
Runnable task = w.firstTask;
 
w.firstTask = null;
 
while (task != null || (task = getTask()) != null){
 
task.run();
 
}
 
}

Worker是一个Runnable，同时拥有一个thread，这个thread就是要开启的线程，在新建Worker对象时同时新建一个Thread对象，同时将Worker自己作为参数传入TThread，这样当Thread的start()方法调用时，运行的实际上是Worker的run()方法，接着到runWorker()中,有个while循环，一直从getTask()里得到Runnable对象，顺序执行。getTask()又是怎么得到Runnable对象的呢？

依旧是简化后的代码：

private Runnable getTask() {
 if(一些特殊情况) {
  return null;
 }
Runnable r = workQueue.take();
 
return r;
 
}

这个workQueue就是初始化ThreadPoolExecutor时存放任务的BlockingQueue队列，这个队列里的存放的都是将要执行的Runnable任务。因为BlockingQueue是个阻塞队列，BlockingQueue.take()得到如果是空，则进入等待状态直到BlockingQueue有新的对象被加入时唤醒阻塞的线程。所以一般情况Thread的run()方法就不会结束,而是不断执行从workQueue里的Runnable任务，这就达到了线程复用的原理了。

2.控制最大并发数

那Runnable是什么时候放入workQueue？Worker又是什么时候创建，Worker里的Thread的又是什么时候调用start()开启新线程来执行Worker的run()方法的呢？有上面的分析看出Worker里的runWorker()执行任务时是一个接一个，串行进行的，那并发是怎么体现的呢？

很容易想到是在execute(Runnable runnable)时会做上面的一些任务。看下execute里是怎么做的。

execute:

简化后的代码

public void execute(Runnable command) {
 if (command == null)
  throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
 
// 当前线程数 < corePoolSize
 
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
 
// 直接启动新的线程。
 
if (addWorker(command, true))
 
return;
 
c = ctl.get();
 
}
 
// 活动线程数 >= corePoolSize
 
// runState为RUNNING && 队列未满
 
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
 
int recheck = ctl.get();
 
// 再次检验是否为RUNNING状态
 
// 非RUNNING状态 则从workQueue中移除任务并拒绝
 
if (!isRunning(recheck) && remove(command))
 
reject(command);// 采用线程池指定的策略拒绝任务
 
// 两种情况：
 
// 1.非RUNNING状态拒绝新的任务
 
// 2.队列满了启动新的线程失败（workCount > maximumPoolSize）
 
} else if (!addWorker(command, false))
 
reject(command);
 
}

addWorker:

简化后的代码

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
int wc = workerCountOf(c);
 
if (wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) {
 
return false;
 
}
 
w = new Worker(firstTask);
 
final Thread t = w.thread;
 
t.start();
 
}

根据代码再来看上面提到的线程池工作过程中的添加任务的情况：

* 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
* 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
* 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；
* 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常RejectExecutionException。

这就是Android的AsyncTask在并行执行是在超出最大任务数是抛出RejectExecutionException的原因所在，详见基于最新版本的AsyncTask源码解读及AsyncTask的黑暗面

通过addWorker如果成功创建新的线程成功，则通过start()开启新线程，同时将firstTask作为这个Worker里的run()中执行的第一个任务。

虽然每个Worker的任务是串行处理，但如果创建了多个Worker，因为共用一个workQueue，所以就会并行处理了。

所以根据corePoolSize和maximumPoolSize来控制最大并发数。大致过程可用下图表示。

上面的讲解和图来可以很好的理解的这个过程。

如果是做Android开发的，并且对Handler原理比较熟悉，你可能会觉得这个图挺熟悉，其中的一些过程和Handler，Looper，Meaasge使用中，很相似。Handler.send(Message)相当于execute(Runnuble)，Looper中维护的Meaasge队列相当于BlockingQueue，只不过需要自己通过同步来维护这个队列，Looper中的loop()函数循环从Meaasge队列取Meaasge和Worker中的runWork()不断从BlockingQueue取Runnable是同样的道理。

3.管理线程

通过线程池可以很好的管理线程的复用，控制并发数，以及销毁等过程,线程的复用和控制并发上面已经讲了，而线程的管理过程已经穿插在其中了，也很好理解。

在ThreadPoolExecutor有个ctl的AtomicInteger变量。通过这一个变量保存了两个内容：

所有线程的数量 每个线程所处的状态 其中低29位存线程数，高3位存runState，通过位运算来得到不同的值。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//得到线程的状态
 
private static int runStateOf(int c) {
 
return c & ~CAPACITY;
 
}
 
//得到Worker的的数量
 
private static int workerCountOf(int c) {
 
return c & CAPACITY;
 
}
 
// 判断线程是否在运行
 
private static boolean isRunning(int c) {
 
return c < SHUTDOWN;
 
}

Hier analysieren wir hauptsächlich den Herunterfahrvorgang des Thread-Pools durch Herunterfahren und ShutdownNow (). Erstens verfügt der Thread-Pool über fünf Zustände, um das Hinzufügen und Ausführen von Aufgaben zu steuern. Führen Sie hauptsächlich die folgenden drei Typen ein:

RUNNING-Status: Der Thread-Pool läuft normal und kann neue Aufgaben annehmen und Aufgaben in der Warteschlange verarbeiten.

SHUTDOWN-Status: Nimmt keine neuen Aufgaben mehr an, aber führt Aufgaben in der Warteschlange aus;

STOP-Status: Akzeptiert keine neuen Aufgaben mehr und verarbeitet keine Aufgaben in der Warteschlange. Herunterfahren Diese Methode setzt den runState auf SHUTDOWN und beendet alle inaktiven Threads und Threads, die noch funktionieren . Es ist nicht betroffen, daher werden Aufgaben in der Warteschlange ausgeführt.

Die Methode „shutdownNow“ setzt runState auf STOP. Der Unterschied zur Shutdown-Methode besteht darin, dass diese Methode alle Threads beendet, sodass die Aufgaben in der Warteschlange nicht ausgeführt werden.

Zusammenfassung
Durch die Analyse des ThreadPoolExecutor-Quellcodes haben wir ein umfassendes Verständnis für die Erstellung des Thread-Pools, das Hinzufügen von Aufgaben, die Ausführung und andere Prozesse. Wenn Sie mit diesen Prozessen vertraut sind, wird es einfacher um den Thread-Pool zu verwenden.

Die daraus erlernte Nutzung der Parallelitätskontrolle und der Aufgabenverarbeitung im Producer-Consumer-Modell wird in Zukunft eine große Hilfe beim Verständnis oder der Lösung anderer damit zusammenhängender Probleme sein. Beispielsweise können der Handler-Mechanismus in Android und die Messager-Warteschlange in Looper auch von einer BlookQueue verarbeitet werden. Dies ist, was ich durch das Lesen des Quellcodes gewinne.

Das Obige ist die Sammlung von Informationen zum Java-Thread-Pool. Wir werden in Zukunft weiterhin relevante Informationen hinzufügen. Vielen Dank für Ihre Unterstützung dieser Website.

Weitere detaillierte Erklärungen zum Java-Thread-Pool und Artikel zum Beispielcode finden Sie auf der chinesischen PHP-Website!