Executor框架（二）Executors、ThreadPoolExecutor以及线程池执行任务的行为方式

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ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor是Executor框架最重要的一个类，它即是真正意义上的线程池。该类的源码有两千多行，但大部分是注释说明，而且还有一些private/protected的方法，真正会用到的方法也并不太多。
先了解一下它的构造器。

ThreadPoolExecutor的构造器

ThreadPoolExecutor的构造器有4个重载的构造器，其中有两个ThreadFactory和RejectedExecutionHandler类型的参数是可选的。最完整的构造器如下：

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 /**
 * Creates a new {@code ThreadPoolExecutor} with the given initial
 * parameters.
 *
 * @param corePoolSize the number of threads to keep in the pool, even
 *        if they are idle, unless {@code allowCoreThreadTimeOut} is set
 * @param maximumPoolSize the maximum number of threads to allow in the
 *        pool
 * @param keepAliveTime when the number of threads is greater than
 *        the core, this is the maximum time that excess idle threads
 *        will wait for new tasks before terminating.
 * @param unit the time unit for the {@code keepAliveTime} argument
 * @param workQueue the queue to use for holding tasks before they are
 *        executed.  This queue will hold only the {@code Runnable}
 *        tasks submitted by the {@code execute} method.
 * @param threadFactory the factory to use when the executor
 *        creates a new thread
 * @param handler the handler to use when execution is blocked
 *        because the thread bounds and queue capacities are reached
 * @throws IllegalArgumentException if one of the following holds:<br>
 *         {@code corePoolSize < 0}<br>
 *         {@code keepAliveTime < 0}<br>
 *         {@code maximumPoolSize <= 0}<br>
 *         {@code maximumPoolSize < corePoolSize}
 * @throws NullPointerException if {@code workQueue}
 *         or {@code threadFactory} or {@code handler} is null
 */   
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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
            null :
            AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

构造器的各个参数说明：

  • corePoolSize：核心线程数，核心线程会一直存活，即使没有任务需要处理。但如果设置了allowCoreThreadTimeOut为 true 则核心线程也会超时退出。

  • maximumPoolSize：最大线程数，线程池中可允许创建的最大线程数。

  • keepAliveTime：当线程池中的线程数大于核心线程数，那些多余的线程空闲时间达到keepAliveTime后就会退出，直到线程数量等于corePoolSize。如果设置了allowCoreThreadTimeout设置为true，则所有线程均会退出直到线程数量为0。

  • unit：keepAliveTime参数的时间单位

  • workQueue：在任务执行前用来保存任务的阻塞队列。这个队列只会保存通过execute方法提交到线程池的Runnable任务。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中，一共推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

  • threadFactory：线程池创建新线程时使用的factory。默认使用defaultThreadFactory创建线程。

  • handle：饱和策略。当线程池的线程数已达到最大，并且任务队列已满时来处理被拒绝任务的策略。默认使用ThreadPoolExecutor.AbortPolicy，任务被拒绝时将抛出RejectExecutorException

除此之外，ThreadPoolExecutor还有两个个常用的参数设置：

  • allowCoreThreadTimeout：是否允许核心线程空闲退出，默认值为false。
  • queueCapacity：任务队列的容量。

ThreadPoolExecutor线程池的逻辑结构图:
ThreadPoolExecutor线程池的逻辑结构图

线程池执行任务的行为方式

线程池按以下行为执行任务

1. 当线程数小于核心线程数时，创建线程。
2. 当线程数大于等于核心线程数，且任务队列未满时，将任务放入任务队列。
3. 当线程数大于等于核心线程数，且任务队列已满
    1. 若线程数小于最大线程数，创建线程
    2. 若线程数等于最大线程数，抛出异常，拒绝任务

线程池处理任务的流程图

Executors

Executors类是一个工厂类，提供了一系列静态工厂方法来创建不同的ExecutorService或 ScheduledExecutorService实例。

创建3种不同的ExecutorService（线程池）实例

1.newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池：启动一个线程负责按顺序执行任务，先提交的任务先执行。

其原理是：任务会被提交到一个队列里，启动的那个线程会从队里里取任务，然后执行，执行完，再从队列里取下一个任务，再执行。如果该线程执行一个任务失败，并导致线程结束，系统会创建一个新的线程去执行队列里后续的任务，不会因为前面的任务有异常导致后面无辜的任务无法执行。
源码：

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

2.newFixedThreadPool

创建一个可重用的固定线程数量的线程池。即corePoolSize=线程池中的线程数= maximumPoolSize。

  • 如果没有任务执行，所有的线程都将等待。
  • 如果线程池中的所有线程都处于活动状态，此时再提交任务就在队列中等待，直到有可用线程。
  • 如果线程池中的某个线程由于异常而结束时，线程池就会再补充一条新线程。

源码：

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public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

3.newCachedThreadPool

创建一个不限制线程数量的动态线程池。

  • 因为有多个线程存在，任务不一定会按照顺序执行。
  • 一个线程完成任务后，空闲时间达到60秒则会被结束。
  • 在执行新的任务时，当线程池中有之前创建的空闲线程就使用这个线程，否则就新建一条线程。
    源码：
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    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

可以看到newCachedThreadPool使用的队列是SynchronousQueue，和前两个是不一样的。线程池的线程数可达到Integer.MAX_VALUE，即2147483647。此外由于会有线程的创建和销毁，所以会有一定的系统开销。

4.newSingleThreadExecutor 与 newFixedThreadPool(1) 的区别

JavaDoc上说：

Unlike the otherwise equivalent newFixedThreadPool(1) the returned executor is guaranteed not to be reconfigurable to use additional threads.

举个例子：

((ThreadPoolExecutor)newFixedThreadPool(1)).setCorePoolSize(3);

即newFixedThreadPool(1)可以后期修改线程数，不保证线程只有一个。而newSingleThreadExecutor可以保证。

创建ScheduledExecutorService实例

关于ScheduledExecutorService的内容，在下一篇文章中介绍。

1.newSingleThreadScheduledExecutor

创建一个单线程的ScheduledExecutorService，在指定延时之后执行或者以固定的频率周期性的执行提交的任务。在线程池关闭之前如果有一个任务执行失败，并导致线程结束，系统会创建一个新的线程接着执行队列里的任务。

源码：

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public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
    return new DelegatedScheduledExecutorService
        (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));   //corePoolSize为1
}

还有一个重载的方法，多了一个ThreadFactory参数，ThreadFactory是用来确定新线程应该怎么创建的。

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public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
    return new DelegatedScheduledExecutorService
        (new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
}

2.newScheduledThreadPool

创建一个固定线程数的ScheduledExecutorService对象，在指定延时之后执行或者以固定的频率周期性的执行提交的任务。

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public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

同样的，也有一个重载的方法：

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public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
        int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}

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