原创:ThreadPoolExecutor线程池深入解读(一)----原理+应用

本文档,适合于对多线程有一定基础的开发人员。对多线程的一些基础性的解读,请参考《java并发编程》的前5章。
对于源代码的解读,本人认为可读可不读。如果你想成为一位顶级的程序员,那就培养自己底层的逻辑能力,自己写算法,然后让别人学习你的源代码。研究源代码这件事,更多的是针对于初学者。贡献源码的人,也是程序员,只不过是级别不同,或者在理论上,更加高屋建瓴。在现实中,能够兼顾理论和编程的程序员不多,如果谁想成为一流程序员的话,建议从理论上入手,代码量不能代表全部。对于多线程,本人仍然认为,理论很重要。

多线程编程,在软件开发中占有十分重要的地位。本人对线程同步的本质的理解是:把对一个或者多个的共享状态的复合操作转变为原子性的操作,同时保证共享状态在内存中的可见性。抽象起来就是原子性和可见性。

1.多线程并发时,会存在竞态条件。常见的竞态条件包括先检查后执行机制的竞争和原子性操作竞争,比如同时对一个整数++操作,这个操作可以分割为三个步骤:读取、加法操作与写入(生效)。解决先检查后执行机制的竞态条件的有效手段是采用双检索。对方法加锁,会大大滴降低吞吐量和性能,因此,不建议直接对方法加锁,常见的做法是,对多个线程同时竞争的变量加锁,或者采用ReentrantLock底层的CAS算法(free-lock).如果想深入理解ReentrantLock的原理,请查看java.util.concurrent包下的源代码。
2.任务执行策略与中断策略和饱和策略:在多线程环境中,当定义好了公共资源类,与执行任务时(比如生产者与消费者任务),接下来就要考虑任务执行策略与中断策略和饱和策略,以提升系统的吞吐量和性能,同时在运行时,要考虑吞吐量与CPU占有率的折中。在多线程中,最重要的就是以上三种策略的定制。采用默认的,不一定能满足要求。线程池底层,调用的是ThreadPoolExecutor这个类,我们可以扩展他,实现自己的需求。在这里,先讲一下,默认的任务执行策略。(任务执行策略包括:是否为每一个任务开启一个线程,还是所有任务在一个线程中执行,任务执行的顺序,比如FIFO,还是按照优先级等等),所以, 这里涉及到两个比较重要的东西:一是数量问题,包括线程池的基本容量,最大容量以及BlockingQueue<Runnable> 是采用有界的还是无界的,二是BlockingQueue的数据结构,如果执行顺序是FIFO,就采用非优先级的Queue,如果是按优先级,那就使用PriorityLinkedQueue。下面,结合一下ThreadPoolExecutor源代码讲解一下:
在使用时,我们一般会这样:
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
executor.execute(Runnable);
先从execute方法开始,一层一层剖析:
ThreadPoolExecutor中的几个重要变量:
 
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
 
    // runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;
 
The workerCount is the number of workers that have been permitted to start and not permitted to stop. 
ctl是一个重要的变量,主要包装两个重要的概念:一是workerCount:effective number of threads,二是runState:  indicating whether running, shutting down etc   
英文解释:
The main pool control state, ctl, is an atomic integer packing
two conceptual fields
workerCount, indicating the effective number of threads
runState,    indicating whether running, shutting down etc
在以上状态变量中,RUNNING可以接受新的task,并且可以处理queue中的task,SHUTDOWN不可以接受新的task,但是可以处理queue中的task,其他的全都不可以。还是英文解释比较好,研究源代码,最好是看英文原版的,不要看汉语版的:
RUNNING:  Accept new tasks and process queued tasks
     *   SHUTDOWN: Don't accept new tasks, but process queued tasks
     *   STOP:     Don't accept new tasks, don't process queued tasks,
     *             and interrupt in-progress tasks
     *   TIDYING:  All tasks have terminated, workerCount is zero,
     *             the thread transitioning to state TIDYING
     *             will run the terminated() hook method
     *   TERMINATED: terminated() has completed
public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        
        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {---------------------①
            if (addWorker(command, true))//如果添加失败,返回false,可能是由于创建线程时遇到意外,比如terminated,重新调用ctl.get()计算wc
                return;
            c = ctl.get();
        }//如果当前执行的线程数量小于corePoolSize,但是添加任务时,遇到了意外,或者,当前执行的线程数量大于corePoolSize,这两种情况,都会进入②处代码
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {------------------②//如果当前线程池中的线程正处于RUNNING状态,并且阻塞队列的容量没有达到上限,重新检查ctl.get()返回的状态
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);//如果此处状态不是RUNNING,也不是SHUTDOWN,那么,拒绝任务
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);//由于任务放到了BlockingQueue中,此处,在Worker中,不添加task,而是运行任务时,从queue取出task
        }
        else if (!addWorker(command, false))-------------------------③//除了以上情况以外,比如BlockingQueue饱和了,线程池容量也饱和了,执行饱和策略,默认为AbortPolicy,拒绝任务
            reject(command);
    }
 
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))//此处判断非常重要
                    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 {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            w = new Worker(firstTask);------------------------------①//把firstTask加到Worker中,并创建一个线程
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                mainLock.lock();
                try {
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int c = ctl.get();
                    int rs = runStateOf(c);
 
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);------------------------------②//把worker加到Set<Worker>中
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;------------------------------③//添加成功
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();------------------------------④执行任务
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);------------------------------⑤//添加失败,从Set<Worker>中移除Worker
        }
        return workerStarted;
    }
接下来,看看Woker:
private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
 
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
 
 
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }
 
        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
 
         public void run() {----------------①
            runWorker(this);----------------②
         }
 
        protected boolean tryRelease(int unused) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);//重新置为0
            return true;
        }
 
        public void lock()        { acquire(1); }
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        public void unlock()      { release(1); }
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
 
        void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }
    }
Worker的本质是Runnable,因此在addWorker()中的t.start()中,实际是调用worker的run()方法,看②处的runWorker()方法:
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) {---------------------①
                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);-------------------------②
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        task.run();-------------------------③
                    } 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);-------------------------④
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }
最重要的地方,已经做了标识。对于①处,(task = getTask()) != null,这是在execute方法中,当workerCountof(recheck)== 0时,把task放到BlockingQueue中,所以用getTask()取出task。在execute之前和之后,可以做一些事情,自定义扩展,比如实现统计和计时功能。
以上为ThreadPoolExecutor源代码的关键地方的比较粗浅的解读,下面,来进入应用阶段:
Executors.newFixedThreadPool(x)中,默认的,BlockingQueue为无界的LinkedBlockingQueue,使用无界的queue,会因为queue的无限制扩展,而导致资源被耗尽,Executors.newCachedThreadPool()中,线程池的大小没有限制,队列采用的是SynchronousQueue,SynchronousQueue本质上并不是一个队列,而是基于线程间传递机制的一种运行策略。当向SynchronousQueue中添加task时,必须保证线程在等待接收task,可以与运行的线程直接交互。如果需要实现线程池的容量和queue的容量都有限制,并且需要自定义执行策略和饱和策略时,可以扩展ThreadPoolExecutor。ThreadPoolExecutor的构造器中结束如下参数:
 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }
其中有:colrePoolSize,线程池的基本大小, maximumPoolSize,线程池中能够同时运行的线程数量的上限,keepAliveTime,超过此时间,空闲线程将被回收,阻塞队列Blockin共Queue,还有RejectedExecutionHandler,任务拒绝处理类。
下面, 自定义线程池,实现计时和统计功能,并且自定义有界队列以及饱和策略
package httpClient;
 
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.logging.Logger;
 
/**
 * 自定义线程池,实现计时和统计功能,并且自定义有界队列以及饱和策略
 * @author TongXueQiang
 * @date 2016/05/19
 */
public class MyThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    private final ThreadLocal<Long> startTime = new ThreadLocal<Long>();
    private final Logger log = Logger.getLogger("MyThreadPoolExecutor");
    private final AtomicLong numTasks = new AtomicLong(1);
    private final AtomicLong totalTime = new AtomicLong();
 
    public MyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, handler);
 
    }
    /**
     * 任务执行前
     */
    protected void beforeExecute(Thread t,Runnable r){
        super.beforeExecute(t, r);
        log.fine(String.format("Thread %s: start %s",t,r));
        startTime.set((long) (System.nanoTime()/Math.pow(10, 9)));
    }
    /**
     * 任务执行后
     * @param r 任务
     * @param t 执行任务的线程
     */
    protected void afterExecutor(Runnable r,Throwable t){
        try {
            Long endTime = (long) (System.nanoTime() / Math.pow(10,9));
            Long taskTime = endTime - startTime.get();
            numTasks.incrementAndGet();
            totalTime.addAndGet(taskTime);
            log.fine(String.format("Thread %s: end%s,time=%ds", taskTime));
        } finally {
            super.afterExecute(r, t);
        }
    }
 
    protected void terminated () {
        try {
            log.info(String.format("Terminated: avg time=%ds", totalTime.get() / numTasks.get()));
        } finally {
            super.terminated();
        }        
    }
}
 
//自定义简易爬虫
package httpClient;
 
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * 网页抓取
 * @author TongXueQiang
 * @date 2016/05/16
 */
public class UrlHanding {
    private final int THREADS = 10;
    private final ExecutorService producerExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
    BlockingQueue<Runnable> q = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10);
    private final ExecutorService consumerExecutor = new MyThreadPoolExecutor(10, 10, 1000,TimeUnit.MILLISECONDS, q, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());//调用者执行的饱和策略
    private final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);
    private final CountDownLatch endLatch = new CountDownLatch(THREADS);
    private static UrlQueue queue;
 
    public void urlHanding(String[] seeds) throws InterruptedException {        
        queue = getUrlQueue();
        System.out.println("处理器数量:"+Runtime.getRuntime().availableProcessors());
        long start = (long) (System.nanoTime() / Math.pow(10, 9));
        producerExecutor.execute(new GetSeedUrlTask(queue,seeds,startLatch));        
        producerExecutor.awaitTermination(100, TimeUnit.MILLISECONDS);
        producerExecutor.shutdown();
        startLatch.await();
 
        UrlDataHandingTask []url_handings = new UrlDataHandingTask[THREADS];
        for (int i = 0;i < THREADS;i++) {
            url_handings[i] = new UrlDataHandingTask(startLatch,endLatch,queue);
            consumerExecutor.execute(url_handings[i]);            
        }
        consumerExecutor.shutdown();
        startLatch.countDown();
        doSomething();
        endLatch.await();
 
        long end = (long) (System.nanoTime() / Math.pow(10,9) - start);
        System.out.println("耗时: " + end + "秒");
    }
 
    private void doSomething() {
 
 
    }
 
    private UrlQueue getUrlQueue() {
        if (queue == null) {
            synchronized(UrlQueue.class){
                if (queue == null) {
                    queue = new UrlQueue();
                    return queue;
                }
            }
        }
        return queue;
    }
}
上面,是典型的生产者和消费者线程模式,把ArrayBlockingQueue当做公共资源,这里,要处理好消费者线程无限期阻塞的问题,通过在queue的最后加入“毒丸”对象,当每个线程从queue中取出的对象为“毒丸”对象时,停止迭代。
以下为消费者线程:
package httpClient;
 
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
 
public class UrlDataHandingTask implements Runnable {
    private CountDownLatch startLatch;
    private CountDownLatch endLatch;
    private UrlQueue queue;
 
    public UrlDataHandingTask(CountDownLatch latch, CountDownLatch endLatch, UrlQueue queue) {
        this.startLatch = latch;
        this.endLatch = endLatch;
        this.queue = queue;        
    }
 
    /**
     * 下载对应的页面并抽取出链接,放入待处理队列中
     * 
     * @param url
     * @throws InterruptedException
     */
    public void dataHanding(String url) throws InterruptedException {
        getHrefOfContent(DownPage.getContentFromUrl(url));
        for (String url0 : VisitedUrlQueue.visitedUrlQueue) {
            System.out.println(url0);
        }
    }
 
    @Override
    public void run() {
        try {
            startLatch.await();
        } catch (InterruptedException e1) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
 
        while (!queue.isEmpty()) {
            try {
                String url = queue.outElem();
                if ("".equals(url.trim())) {//“毒丸”对象为空
                    queue.addElem(url);
                    break;
                }
                dataHanding(url);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
        endLatch.countDown();
 
    }
 
    /**
     * 获取页面源代码中的超链接
     * 
     * @param content
     * @throws InterruptedException
     */
    public void getHrefOfContent(String content) throws InterruptedException {
        System.out.println("开始");
        String[] contents = content.split("<a href=\"");
        for (int i = 1; i < contents.length; i++) {
            int endHref = contents[i].indexOf("\"");
            String aHref = FunctionUtils.getHrefOfInOut(contents[i].substring(0, endHref));
            if (aHref != null) {
                String href = FunctionUtils.getHrefOfInOut(aHref);
                if (queue.isContains(href) && !VisitedUrlQueue.isContains(href)
                        && href.indexOf("/code/explore") != -1) {
                    // 放入待抓取队列中
                    queue.addElem(href);
                }
            }
        }
        System.out.println(queue.size() + "--抓取到的连接数");
        System.out.println(VisitedUrlQueue.size() + "--已处理的页面数");
    }
 
}
生产者线程:
package httpClient;
 
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
 
public class GetSeedUrlTask implements Runnable {
    private UrlQueue queue;
    private String[] seeds;
    private CountDownLatch startLatch;
 
    public GetSeedUrlTask(UrlQueue queue, String[] seeds,CountDownLatch startLatch) {
        this.queue = queue;
        this.seeds = seeds;
        this.startLatch = startLatch;
    }
 
    public void addUrl() {
        try {
            for (String url : seeds) {
                queue.addElem(url);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
 
    @Override
    public void run() {
        addUrl();        
        try {
            queue.addElem("");//加入“毒丸”对象
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        startLatch.countDown();
    }
}
未完待续……
 
 
posted @ 2016-05-19 17:47  佟学强  阅读(2241)  评论(0编辑  收藏  举报