java线程池的实现原理源码分析

发布时间:2022-04-28 10:18:16 作者:iii
来源:亿速云 阅读:152

Java线程池的实现原理源码分析

目录

  1. 引言
  2. 线程池的基本概念
  3. Java线程池的实现
  4. 线程池的核心源码分析
  5. 线程池的拒绝策略
  6. 线程池的监控与调优
  7. 总结

引言

在多线程编程中,线程池是一种非常重要的技术。它可以帮助我们有效地管理线程资源,避免频繁地创建和销毁线程,从而提高系统的性能和稳定性。Java提供了java.util.concurrent包来支持线程池的实现,其中最核心的类是ThreadPoolExecutor。本文将深入分析ThreadPoolExecutor的实现原理,并通过源码解析其工作流程。

线程池的基本概念

2.1 什么是线程池

线程池是一种多线程处理形式,它通过预先创建一定数量的线程,并将任务提交到线程池中执行,从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。线程池中的线程可以重复使用,执行完一个任务后,线程不会被销毁,而是继续执行下一个任务。

2.2 线程池的优势

2.3 线程池的核心参数

Java线程池的实现

3.1 ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor是Java线程池的核心实现类,它提供了线程池的基本功能。ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService,并实现了ExecutorService接口。

3.2 线程池的状态

ThreadPoolExecutor使用一个AtomicInteger类型的变量ctl来表示线程池的状态和线程数量。ctl的高3位表示线程池的状态,低29位表示线程池中的线程数量。

线程池的状态包括:

3.3 线程池的工作流程

  1. 当有任务提交到线程池时,线程池首先会判断当前线程数是否小于核心线程数。如果小于,则创建新线程执行任务。
  2. 如果当前线程数已达到核心线程数,则将任务放入任务队列中等待执行。
  3. 如果任务队列已满,且当前线程数小于最大线程数,则创建新线程执行任务。
  4. 如果当前线程数已达到最大线程数,且任务队列已满,则根据拒绝策略处理任务。

线程池的核心源码分析

4.1 ThreadPoolExecutor的构造方法

ThreadPoolExecutor提供了多个构造方法,最常用的构造方法如下:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

该构造方法初始化了线程池的核心参数,包括核心线程数、最大线程数、空闲时间、任务队列、线程工厂和拒绝策略。

4.2 execute方法

execute方法是线程池的核心方法,用于提交任务到线程池中执行。其源码如下:

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (!isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

execute方法的主要逻辑如下:

  1. 首先检查任务是否为null,如果是则抛出NullPointerException
  2. 获取当前线程池的状态和线程数量。
  3. 如果当前线程数小于核心线程数,则尝试创建新线程执行任务。
  4. 如果当前线程数已达到核心线程数,则将任务放入任务队列中。
  5. 如果任务队列已满,则尝试创建新线程执行任务。
  6. 如果无法创建新线程,则根据拒绝策略处理任务。

4.3 addWorker方法

addWorker方法用于创建新线程并执行任务。其源码如下:

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }

    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // Recheck while holding lock.
                // Back out on ThreadFactory failure or if
                // shut down before lock acquired.
                int rs = runStateOf(ctl.get());

                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

addWorker方法的主要逻辑如下:

  1. 首先检查线程池的状态,如果线程池已关闭且任务队列为空,则返回false
  2. 然后检查当前线程数是否超过限制,如果超过则返回false
  3. 使用CAS操作增加线程数量,如果成功则跳出循环。
  4. 创建Worker对象,并将其添加到workers集合中。
  5. 启动Worker线程,如果启动成功则返回true,否则调用addWorkerFailed方法进行清理。

4.4 runWorker方法

runWorker方法是Worker线程的执行逻辑。其源码如下:

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
            // if not, ensure thread is not interrupted.  This
            // requires a recheck in second case to deal with
            // shutdownNow race while clearing interrupt
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    task.run();
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

runWorker方法的主要逻辑如下:

  1. 首先获取当前线程和任务。
  2. 如果任务不为null,则执行任务。
  3. 如果任务为null,则调用getTask方法从任务队列中获取任务。
  4. 在执行任务之前,调用beforeExecute方法进行前置处理。
  5. 执行任务,并捕获可能抛出的异常。
  6. 在执行任务之后,调用afterExecute方法进行后置处理。
  7. 如果任务执行过程中发生异常,则标记completedAbruptlytrue
  8. 最后调用processWorkerExit方法处理线程退出。

4.5 getTask方法

getTask方法用于从任务队列中获取任务。其源码如下:

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        int wc = workerCountOf(c);

        // Are workers subject to culling?
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

getTask方法的主要逻辑如下:

  1. 首先检查线程池的状态,如果线程池已关闭且任务队列为空,则减少线程数量并返回null
  2. 检查当前线程数是否超过最大线程数,或者线程是否允许超时回收。
  3. 如果线程允许超时回收,则调用poll方法从任务队列中获取任务,如果超时则返回null
  4. 如果线程不允许超时回收,则调用take方法从任务队列中获取任务,如果任务队列为空则阻塞等待。

4.6 processWorkerExit方法

processWorkerExit方法用于处理线程退出。其源码如下:

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
        decrementWorkerCount();

    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }

    tryTerminate();

    int c = ctl.get();
    if (runStateLessThan(c, STOP)) {
        if (!completedAbruptly) {
            int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
            if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                min = 1;
            if (workerCountOf(c) >= min)
                return; // replacement not needed
        }
        addWorker(null, false);
    }
}

processWorkerExit方法的主要逻辑如下:

  1. 如果线程是异常退出,则减少线程数量。
  2. 更新已完成任务的数量,并从workers集合中移除该线程。
  3. 调用tryTerminate方法尝试终止线程池。
  4. 如果线程池未停止,则根据当前线程数和任务队列的情况决定是否需要创建新线程。

线程池的拒绝策略

5.1 拒绝策略的实现

ThreadPoolExecutor提供了四种内置的拒绝策略:

5.2 自定义拒绝策略

除了使用内置的拒绝策略外,我们还可以自定义拒绝策略。自定义拒绝策略需要实现RejectedExecutionHandler接口,并重写rejectedExecution方法。

public class CustomRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler {
    @Override
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        // 自定义拒绝策略的逻辑
    }
}

线程池的监控与调优

6.1 线程池的监控

线程池的监控主要包括以下几个方面:

6.2 线程池的调优

线程池的调优主要包括以下几个方面:

总结

本文详细分析了Java线程池的实现原理,并通过源码解析了ThreadPoolExecutor的工作流程。线程池是多线程编程中非常重要的技术,合理地使用线程池可以显著提高系统的性能和稳定性。在实际开发中,我们应根据系统的负载情况和任务的特性,合理地设置线程池的参数,并进行监控和调优,以确保线程池的高效运行。

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  1. ArrayList的源码分析
  2. 深入分析java线程池的实现原理

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