Java線程池深入學習

線程池的實現原理

接口：
- Executor是一個頂層接口，在它裏面只聲明瞭一個方法execute(Runnable)，返回值爲void，參數爲Runnable類型，從字面意思可以理解，就是用來執行傳進去的任務的；
- 然後ExecutorService接口繼承了Executor接口，並聲明瞭一些方法：submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等；
- 抽象類AbstractExecutorService實現了ExecutorService接口，基本實現了ExecutorService中聲明的所有方法；
- 然後ThreadPoolExecutor繼承了類AbstractExecutorService。
狀態
- 在ThreadPoolExecutor中定義了一個volatile變量，另外定義了幾個static final變量表示線程池的各個狀態：volatile int runState;
  - static final int RUNNING = 0;當創建線程池後，初始時，線程池處於RUNNING狀態；
  - static final int SHUTDOWN = 1;如果調用了shutdown()方法，則線程池處於SHUTDOWN狀態，此時線程池不能夠接受新的任務，它會等待所有任務執行完畢；
  - static final int STOP = 2;如果調用了shutdownNow()方法，則線程池處於STOP狀態，此時線程池不能接受新的任務，並且會去嘗試終止正在執行的任務；
  - static final int TERMINATED = 3;當線程池處於SHUTDOWN或STOP狀態，並且所有工作線程已經銷燬，任務緩存隊列已經清空或執行結束後，線程池被設置爲TERMINATED狀態。
線程創建的三種方法：
- 1、繼承Thread類創建線程
- 2、實現Runnable接口創建線程
- 3、實現Callable接口通過FutureTask包裝器來創建Thread線程
- 4、使用ExecutorService、Callable、Future實現有返回結果的線程
- future接口：
  - get獲取計算結果
  - 可取消任務（任務完成後無法取消）
  - FutureTask實現類：適配器模式
    - FutureTask（Callable<v>,callable）運行指定的callable
    - FutureTask（Runnable runnable ，v result）運行指定的Runnable，並在成功完成時get返回給定結果。其中包含定義狀態變量state，new（0）--->completing(1) ------>normal(2)正常狀態，exp（3）異常，cancell（4）取消，interrupting（5）打斷中，interrupted（已經被打斷），outcome接受返回值
      - t.start()實際上是調用FutureTask中的run方法，調用重寫的call方法，-----》set方法將狀態從0變成1，再將返回值賦值給outcome，然後狀態改變爲normal2
      - 再調用get方法是時，會判斷狀態，當狀態等於2時，將outcome返回給get
  - Callable是一種可以返回結果的任務，通過適配器模式讓runnable和callable像類似，Future代表一個異步計算，可以get到計算結果，查看計算狀態。其實現FutureTask可以以被提交給Executor執行，多個線程可以得到計算結果。Callable和Future是配合使用的，當Future get到計算結果的時，如果還沒被計算出來，那麼線程將被掛起，內部使用一個單鏈表位置等待過程，當計算出結果後，等待線程解除掛起，等待線程就可以得到計算結果了
四種線程池？區別？線程池參數？
- Executor框架
  - new Thread（）缺點
    - 每次new耗費性能
    - new出來的線程可以無限創建，直接會互相競爭，過多佔用系統資源
    - 不利於擴展（定時執行，定期執行，線程中斷）
  - 採用線程池：重複使用存在的線程，減少對象的創建、消亡帶來的開銷，有效控制最大併發數，提高系統資源的使用率。同時避免過多資源競爭、避免堵塞、提供定時執行、定期執行、單線程和多線程併發控制等功能
  - Executor：異步執行框架，將任務提交和運行過程解耦，基於生產者-消費者模式，用runnable表示任務，Executor還提供了對生命週期的支持，以及統計信息收集，應用程序管理機制和性能監視等機制
    - Executor接口定義了最基本的Execute方法，用於接受用戶提交任務
    - ExecutorService定義了線程池終止shoutdown和submit提交futureTask任務支持方法。submit提交runnable和callable，返回future可引用實例；當excute提交任務後，任務進入BlockingDeque隊列，然後由submit執行任務並返回結果
      - isShutdown boolean isShutdown() 如果這個執行者已被關閉，則返回 true 。
      - shutdown()啓動有序關閉，其中先前提交的任務將被執行，但不會接受任何新任務。執行完一個關閉一個，順序關閉
      - isTerminated()如果所有任務在關閉後完成，則返回 true
      - <T> Future<T> submit(Callable<T> task)提交值返回任務以執行，並返回代表任務待處理結果的Future。
      - Future<?> submit(Runnable task)提交一個可運行的任務執行，並返回一個表示該任務的未來。
      - <T> Future<T> submit(Runnable task, T result)提交一個可運行的任務執行，並返回一個表示該任務的未來。
    - ThreadPoolExecutor
      - 線程池不允許使用 Executors 去創建，而是通過 ThreadPoolExecutor 的方式，這樣的處理方式讓寫的同學更加明確線程池的運行規則，規避資源耗盡的風險。
        說明：Executors 返回的線程池對象的弊端如下：
        1）FixedThreadPool 和 SingleThreadPool:允許的請求隊列長度爲 Integer.MAX_VALUE，可能會堆積大量的請求，從而導致 OOM。
        
        2）CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool:允許的創建線程數量爲 Integer.MAX_VALUE，可能會創建大量的線程，從而導致 OOM。
      - 一個ExecutorService ，使用可能的幾個合併的線程執行每個提交的任務，通常使用Executors工廠方法配置。
        Executors.newCachedThreadPool() （無限線程池，具有自動線程回收）底層的實現類還是ThreadPoolExecutor ，阻塞隊列無限127 SynchronousQueue
        
        Executors.newFixedThreadPool(int) （固定大小的線程池）對於ThreadPoolExecutor ，核心線程數是3，最大線程數也是3 LinkedBlockingQueue
        
        Executors.newSingleThreadExecutor() （單個後臺線程）LinkedBlockingQueue
        
        Executors.newSingleThreadScheduledExecuto（創建一個單線程執行器，可以調度命令在給定的延遲之後運行，或定期執行。）
      - 如果當前線程池中的線程數目小於corePoolSize，則每來一個任務，就會創建一個線程去執行這個任務；
      - 如果當前線程池中的線程數目>=corePoolSize，則每來一個任務，會嘗試將其添加到任務緩存隊列當中，若添加成功，則該任務會等待空閒線程將其取出去執行；若添加失敗（一般來說是任務緩存隊列已滿），則會嘗試創建新的線程去執行這個任務；
      - 如果當前線程池中的線程數目達到maximumPoolSize，則會採取任務拒絕策略進行處理；
      - 如果線程池中的線程數量大於 corePoolSize時，如果某線程空閒時間超過keepAliveTime，線程將被終止，直至線程池中的線程數目不大於corePoolSize；如果允許爲核心池中的線程設置存活時間，那麼核心池中的線程空閒時間超過keepAliveTime，線程也會被終止。
線程池的狀態
- 線程池的5種狀態：Running、ShutDown、Stop、Tidying、Terminated。
- 1、RUNNING
  - (1) 狀態說明：線程池處在RUNNING狀態時，能夠接收新任務，以及對已添加的任務進行處理。
  - (2) 狀態切換：線程池的初始化狀態是RUNNING。換句話說，線程池被一旦被創建，就處於RUNNING狀態，並且線程池中的任務數爲0！
- 2、 SHUTDOWN
  - (1) 狀態說明：線程池處在SHUTDOWN狀態時，不接收新任務，但能處理已添加的任務。
  - (2) 狀態切換：調用線程池的shutdown()接口時，線程池由RUNNING -> SHUTDOWN。
- 3、STOP
  - (1) 狀態說明：線程池處在STOP狀態時，不接收新任務，不處理已添加的任務，並且會中斷正在處理的任務。
  - (2) 狀態切換：調用線程池的shutdownNow()接口時，線程池由(RUNNING or SHUTDOWN ) -> STOP。
- 4、TIDYING
  - (1) 狀態說明：當所有的任務已終止，ctl記錄的”任務數量”爲0，線程池會變爲TIDYING狀態。當線程池變爲TIDYING狀態時，會執行鉤子函數terminated()。terminated()在ThreadPoolExecutor類中是空的，若用戶想在線程池變爲TIDYING時，進行相應的處理；可以通過重載terminated()函數來實現。
  - (2) 狀態切換：當線程池在SHUTDOWN狀態下，阻塞隊列爲空並且線程池中執行的任務也爲空時，就會由 SHUTDOWN -> TIDYING。當線程池在STOP狀態下，線程池中執行的任務爲空時，就會由STOP -> TIDYING。
- 5、 TERMINATED
  - (1) 狀態說明：線程池徹底終止，就變成TERMINATED狀態。
  - (2) 狀態切換：線程池處在TIDYING狀態時，執行完terminated()之後，就會由 TIDYING -> TERMINATED。
workQueue的類型爲BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三種類型：
- 1）ArrayBlockingQueue：基於數組的先進先出隊列，此隊列創建時必須指定大小；
- 2）LinkedBlockingQueue：基於鏈表的先進先出隊列，如果創建時沒有指定此隊列大小，則默認爲Integer.MAX_VALUE；
- 3）synchronousQueue：這個隊列比較特殊，它不會保存提交的任務，而是將直接新建一個線程來執行新來的任務。
線程池的任務緩存隊列已滿並且線程池中的線程數目達到maximumPoolSize，如果還有任務到來就會採取任務拒絕策略，通常有以下四種策略：
- ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException異常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然後重新嘗試執行任務（重複此過程）
- ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務
線程池容量設計
- 如果是CPU密集型任務，就需要儘量壓榨CPU，參考值可以設爲 CPU+1
- 如果是IO密集型任務，參考值可以設置爲2*CPU
- 當然，這只是一個參考值，具體的設置還需要根據實際情況進行調整，比如可以先將線程池大小設置爲參考值，再觀察任務運行情況和系統負載、資源利用率來進行適當調整。