7、共享模型之工具 - 2、ThreadPoolExecutor

2、ThreadPoolExecutor

1）线程池状态

ThreadPoolExecutor使用int的高3位表示线程池状态，低29位表示线程数量

状态名	高3位	接收新任务	处理阻塞队列任务	说明
RUNNING	111	Y	Y
SHUTDOWN	000	N	Y	不会接收新任务，但会处理阻塞队列剩余任务
STOP	001	N	N	会中断正在执行的任务，并抛弃阻塞队列任务
TIDYING	010	-	-	任务全部执行完毕，活动现场为0即进入终结
TERMINATED	011	-	-	终结状态

从数字上比较，TERMINATED>TIDYING>STOP>SHUTDOWN>RUNNING

这些信息存储在一个原子变量ctl中，目的是将线程池状态与线程个数合二为一，这样就可以用一次cas原子操作进行赋值

// c 为旧值，ctlOf返回结果为新值
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workCountOf(c)));

// rs为高3位代表线程池状态，wc为低29位，代表线程个数，ctl是合并他们
private static ctlOf(int rs. int wc) {return rs | wc;}

2）构造方法

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

corePoolSize 核心线程数（最多保留的线程数）maximumPoolSize 最大线程数keepAliveTime 生存时间-针对救急线程unit 时间单位-针对救急线程workQueue 阻塞队列threadFactory 线程工厂 - 可以为线程创建时起一个好名字handler 拒绝策略

工作方式：

线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新的线程来执行任务当线程数达到corePoolSize并没有线程空闲，这时候再加入任务，新加的任务会被加入到workQueue队列排队，知道有空闲的线程如果队列选择了游街队列，那么任务超过了队列大小时，会创建maximumPoolSize - corePoolSize数目的线程来救急。如果线程到达maximumPoolSize后仍然有新任务，这时会执行拒绝策略。拒绝策略java提供了4种实现，其他著名框架也提供了实现

AbortPolicy 让调用者抛出RejectdExecutionException异常，这是默认策略CallerRunsPolicy 让调用者运行任务DiscardPolicy 放弃本次任务DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之Dubbo实现，在抛出RejectdExecutionException异常之前会记录日志，并dump线程栈的信息，方便定位问题Netty实现，是创建一个新线程来执行任务ActiveMQ实现，带超时等待（60s）尝试放入队列，类似自定义的拒绝策略PinPoint实现，使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中的每种拒绝策略当高峰过去后，超过corePoolSize的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由keepAliveTime和unit来控制

根据这个构造的方法，JDK Executors类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池 3）newFixedThreadPool

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

特点：

核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需等待超时时间阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务

评价：适用于任务量已知，相对耗时的任务

4）newCachedThreadPool

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

特点

核心线程数是0，最大线程数是Integer.Max_VALUE，救急线程的空闲生存时间是60s，意味着

全部都是救急线程（60s后可以回收）救急线程可以无线创建队列采用了SynchronousQueue实现，特点是，他没有容量，没有线程来是放不进去的（一手交钱、一手交货）

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Executors.newCachedThreadPool();

        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                log.debug("putting...{}", 1);
                synchronousQueue.put(1);
                log.debug("{}put...", 1);

                log.debug("putting...{}", 2);
                synchronousQueue.put(2);
                log.debug("{}put...", 2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t1").start();

        Thread.sleep(1000);

        new Thread(() -> {
            try {
                log.debug("taking{}", 1);
                synchronousQueue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t2").start();

        Thread.sleep(1000);

        new Thread(() -> {
            try {
                log.debug("taking{}", 2);
                synchronousQueue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t3").start();

    }

输出

2022/03/26-13:47:05.776 [t1] c.Test2 - putting...1
2022/03/26-13:47:06.780 [t2] c.Test2 - taking1
2022/03/26-13:47:06.780 [t1] c.Test2 - 1put...
2022/03/26-13:47:06.780 [t1] c.Test2 - putting...2
2022/03/26-13:47:07.789 [t3] c.Test2 - taking2
2022/03/26-13:47:07.789 [t1] c.Test2 - 2put...

评价：整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲1分钟后释放线程。是和任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况。

5）newSingleThreadExecutor

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

使用场景：

希望多个任务排队执行。线程数固定为1，任务多于1时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这唯一的线程也不会被释放。

区别：

自己创建一个单线程串行执行任务，如果执行失败而终止也没有任何补救措施，而线程池还会新建一个线程，奥正线程池的正常工作Executors.newSingleThreadExecutor()线程数始终为1，不能修改

FinalizableDelegatedExecutorService应用是装饰器模式，只对外暴露了ExecutorService接口，因此不能调用ThreadPoolExecutor中特有的方法 Executors.newFixedThreadPool(1)初始时为1，以后还可以修改

对外暴露的是ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用setCorePoolSize等方法进行修改 6）提交任务

// 执行任务
void execute(Runnable command);

//提交任务task，用返回值Future获得任务执行结果
 Future submit(Callable task);

//提交tasks中所有任务
 List> invokeAll(Collection> tasks) throw InterruptedException;

//提交tasks中所有任务，带超时时间
 List> invokeAll(Collection> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throw InterruptedException;

//提交tasks中所有任务，哪个任务先执行完毕，返回此任务执行结果，其他任务取消
 List> invokeAny(Collection> tasks) throw InterruptedException, ExecutionException;

//提交tasks中所有任务，哪个任务先执行完毕，返回此任务执行结果，其他任务取消，带超时时间
 List> invokeAny(Collection> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throw InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

7）关闭线程池

shutdown

void shutdown();

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改线程池胡葬台
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 打断空闲线程
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor 
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试终结（没有运行的线程可以立即终结，如果还有运行的线程也不会等）
        tryTerminate();
    }

shutdownNow

public List shutdownNow();

public List shutdownNow() {
        List tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改线程池状态
            advanceRunState(STOP);
            // 打断所有线程
            interruptWorkers();
            // 获取队列中剩余任务
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试终结
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

其他方法

// 不在RUNNING状态的线程池，就会返回true
boolean isShutdown();

// 线程好吃状态是否是TERMINATED
boolean isTerminated();

// 调用shutdown后，由于调用线程并不会等待所有线程运行结束，因此如果它想在线程池TERMINATED后做些事情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

8）任务调度线程池

在【任务调度线程池】功能加入之前，可以使用java.util.Timer来实现定时功能，Timer的有点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务。

public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        TimerTask task1 = new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("task 1");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        TimerTask task2 = new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("task 2");
            }

        };

        timer.schedule(task1, 1000);
        timer.schedule(task2, 1000);
    }

输出

2022/03/26-16:05:42.339 [Timer-0] c.Test1 - task 1
2022/03/26-16:05:44.348 [Timer-0] c.Test1 - task 2

使用ScheduledExecutorService改写：

public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
        pool.schedule(() -> {
            log.debug("task1");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1, TimeUnit.SECONDS);

        pool.schedule(() -> {
            log.debug("task2");
        }, 1, TimeUnit.SECONDS);
    }

输出

2022/03/26-22:02:34.557 [pool-1-thread-2] c.Test1 - task2
2022/03/26-22:02:34.557 [pool-1-thread-1] c.Test1 - task1

scheduleAtFixedRate 例子：

public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        log.debug("start...");
        pool.scheduleAtFixedRate(()->{
            log.debug("running...");
        }, 1,1, TimeUnit.SECONDS);
    }

输出

2022/03/26-22:04:01.284 [main] c.Test2 - start...
2022/03/26-22:04:02.337 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:04:03.334 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:04:04.337 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:04:05.326 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...

scheduleAtFixedRate 例子（执行时间超过间隔时间）：

public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        log.debug("start...");
        pool.scheduleAtFixedRate(()->{
            log.debug("running...");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1,1, TimeUnit.SECONDS);
    }

输出

2022/03/26-22:08:27.038 [main] c.Test2 - start...
2022/03/26-22:08:28.091 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:08:30.103 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:08:32.118 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...
2022/03/26-22:08:34.123 [pool-1-thread-1] c.Test2 - running...

分析：一开始，延时1s，接下来，由于任务执行时间>间隔时间，间隔被[撑]到了2s

scheduleWithFixedDelay例子：

public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        log.debug("start...");
        pool.scheduleWithFixedDelay(()->{
            log.debug("running...");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1,1, TimeUnit.SECONDS);
    }

输出

2022/03/26-22:10:50.281 [main] c.Test3 - start...
2022/03/26-22:10:51.325 [pool-1-thread-1] c.Test3 - running...
2022/03/26-22:10:54.345 [pool-1-thread-1] c.Test3 - running...
2022/03/26-22:10:57.360 [pool-1-thread-1] c.Test3 - running...
2022/03/26-22:11:00.363 [pool-1-thread-1] c.Test3 - running...

分析：一开始，延时1s，scheduleWithFixedDelay的间隔是上一个任务结束 - 延时 - 下一个任务开始，所以间隔都是3s

评价：整个线程池表现为：线程数固定，任务数多于线程数时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这些线程也不会释放，用来执行延迟或反复处理的任务

9）正确处理执行任务异常

方法1：主动捕捉异常

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        pool.submit(() -> {
            try {
                int i = 1 / 0;
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }

输出

java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at thread.pool.base.Test3.lambda$main$0(Test3.java:19)
	at java.util.concurrent.Executors$RunnableAdapter.call(Executors.java:511)
	at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

方法2：使用Future

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Future future = pool.submit(() -> {
            log.debug("task1");
            int i = 1 / 0;
            return true;
        });
        log.debug("result:{}", future.get());
    }

输出

Exception in thread "main" java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:122)
	at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
	at thread.pool.base.Test4.main(Test4.java:23)
Caused by: java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at thread.pool.base.Test4.lambda$main$0(Test4.java:20)
	at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

10）Tomcat线程池

Tomcat在哪里用到了线程池呢

LimitLatch用来限流，可以控制最大连接个数，类似J.U.C中的Semaphore ，后面讲Acceptor 只负责【接收新的Socket连接】Poller只负责监听socket channel 是否有【可读I/O事件】一旦可读，封装一个任务对象（socketProcessor），提交给Executor线程池处理Executor线程池中的工作线程最终负责【处理请求】

Tomcat线程池扩展了ThreadPoolExecutor，行为稍有不同

如果线程总数达到maximumPoolSize

这时不会立刻抛RejectExecutionException异常而是再次尝试将任务放入队列，如果还失败，才抛RejectExecutionException异常

源码 tomcat-7.0.42

public void execute(Runnable command, long timeout, TimeUnit unit) {
        submittedCount.incrementAndGet();
        try {
            super.execute(command);
        } catch (RejectedExecutionException rx) {
            if (super.getQueue() instanceof TaskQueue) {
                final TaskQueue queue = (TaskQueue) super.getQueue();
                try {
                    if (!queue.force(command, timeout, unit)) {
                        submittedCount.decrementAndGet();
                        throw new RejectedExecutionException("Queue capacity is full.");
                    }
                } catch (InterruptedException x) {
                    submittedCount.decrementAndGet();
                    Thread.interrupted();
                    throw new RejectedExecutionException(x);
                }
            } else {
                submittedCount.decrementAndGet();
                throw rx;
            }
        }
    }

TaskQueue.java

public boolean force(Runnable o, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        if (parent.isShutdown())
            throw new RejectedExecutionException(
                    "Executor not running, can't force a command into the queue"
            );
        return super.offer(o, timeout, unit); //forces the item onto the queue, to be used if the task is rejected
    }

Connector配置

配置项	默认值	说明
acceptorThreadCount	1	acceptor线程数量
pollerThreadCount	1	poller线程数量
minSpareThreads	10	核心线程数，即corePoolSize
maxThreads	200	最大线程数，即MaximumPoolSize
executor	-	Executor名称，用来引用下面的Executor

Executor线程配置

配置项	默认值	说明
threadPriority	5	线程优先级
daemon	true	是否守护线程
minSpareThreads	25	核心线程数，即corePoolSize
maxThreads	200	最大线程数，即MaximumPoolSize
maxIdleTime	60000	线程生存时间，单位是毫秒，默认值是1分钟
MaxQueueSize	Integer.MAX_VALUE	队列长度
prestartSpareThreads	false	核心线程是否在服务器启动时启动

7、共享模型之工具 - 2、ThreadPoolExecutor

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