多线程与高并发(四)

多线程与高并发(四)

线程池

Executor

执行者, 有一个方法 execute().

ExecutorService

继承自Executor, 也是一个接口.

除了execute()方法之外, 还完善了整个任务执行器的生命周期.

shutdown() 结束,

shutdownNow() 立刻结束,

isShutdown()是否已经结束

isTerminated()是否已经执行完了

awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)等待xx时间

Callable&Future

除此之外, ExecutorService中还有一个Future submit(Callable task)方法.

在java1.5的时候添加了一个叫Callable的接口, 为了解决Runnable没有返回值的情况.

同时还添加了一个Future接口, 在Callable执行完之后, 结果会封装到Future中.

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    Callable<String> call = new Callable(){

        @Override
        public String call() throws Exception {
            return "Hello Callable";
        }
    };

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
    Future<String> future = service.submit(call);

    // future.get() 方法是阻塞的,阻塞直到获取到线程的返回值
    System.out.println(future.get());

    service.shutdown();
}

还有一个类叫做FutureTask, 他可以既当Future又当Task.

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(() -> {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
        return 1000;
    });

    new Thread(task).start();

    System.out.println(task.get());
}

在FutureTask类中, 实现了RunnableFuture接口, 而Runnable接口又继承了Runnable和Future.

CompletableFuture

CompletableFuture可以用来管理多个Future.

public class Test03 {

   public static void main(String[] args) {

      CompletableFuture<Double> futureTB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfTB());
      CompletableFuture<Double> futureJD = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfJD());
      CompletableFuture<Double> futurePDD = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfPDD());

      CompletableFuture.allOf(futureTB, futureJD, futurePDD).join();

   }

   public static double priceOfTB() {
      try {
         Thread.sleep(100);
      } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return 1.0;
   }

   public static double priceOfJD() {
      try {
         Thread.sleep(200);
      } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return 2.0;
   }

   public static double priceOfPDD() {
      try {
         Thread.sleep(300);
      } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return 3.0;
   }
}

比如以上例子就是使用CompletableFuture来使多个Future都完成才继续.

也可以使用他的其他方法对返回值进行操作.

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor是继承自AbstractExecutorService, 这是一个抽象类, 实现了ExecutorService接口.

在阿里代码规约中是禁止手动new Thread来开启多线程的, 也禁止使用Executors来创建线程池.

推荐的方法是使用ThreadPoolExecutor来手动创建一个线程池.

ThreadPoolExecutor的构造方法有七大参数

ThreadPoolExecutor tpe = new ThreadPoolExecutor(
    // 核心线程数
    2, 
    // 最大线程数
    4,
    // 生存时间
    60, 
    //生存时间单位
    TimeUnit.SECONDS,
    // 任务队列
    new ArrayBlockingQueue<>(4),
    // 线程工厂
    Executors.defaultThreadFactory(),
    // 拒绝策略
    new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
  • 核心线程数
    • 线程池一创建出来就会有一些核心线程
  • 最大线程数
    • 当任务处理不过来, 线程池能扩展到的最大线程数
  • 生存时间
    • 线程如果长时间不工作, 就会将线程关闭
  • 生存时间单位
  • 任务队列
    • 阻塞队列 可以放入各种各样的BlockingQueue
  • 线程工厂
    • 传入一个ThreadFactory 可以设置ThreadFactory生产线程的名字
    • 线程的名字非常重要, 如果线程没有自定义名字, 当发现线程出问题的之后, 面对 pool-1-thread-1这种名字无从寻找问题.
  • 拒绝策略
    • 当线程池中的线程都在忙, 阻塞队列满了, 而且线程池已经到达最大线程数的时候, 就会启动拒绝策略.
    • JDK提供了默认四种拒绝策略. 也可以自定义.
    • AbortPolicy 抛异常
    • DiscardPolicy 扔掉, 不抛异常
    • DiscardOldestPolicy 扔掉排队时间最久的
    • CallerRunsPolicy 调用者处理

线程池工厂 Executors

Executors可以说是线程池的工厂, 是用来产生线程池的.

  1. newSingleThreadExecutor()

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

    创建一个只有一个线程的线程池, 为什么要有这种一个线程的线程池? 只想要一个线程直接new Thread不就行了吗 ?

    线程池中不光有线程, 还维护了任务队列, 如果自己new Thread就要自己维护这个任务队列. 而且线程池还可以维护生命周期.

    但是, 这个线程池是有问题的, 他的线程任务队列是LinkedBlockingQueue, 默认给的最大长度是Integer.MAX_VALUE. 这是一个非常危险的行为, 如果线程处理不过来, 导致任务越积越多, 可能会导致任务队列真的存放这么多任务最终导致OOM.

  2. newCachedThreadPool()

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

    从参数中可以看出来, cachedThreadPool核心线程数是0, 最大线程数是Integer.MAX_VALUE, 而且任务队列是0.

    如果线程池中没有空闲线程, 就会起一个新的线程来执行这个任务.

    这显然也是有问题的, 如果同时大量的任务打过来很有可能会导致开启过多线程.而过多的线程可能会导致CPU的资源都耗费在线程切换上了.

  3. newFixedThreadPool(int nThreads)

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

    创建一个固定线程数的线程池, 这个线程池和SingleThreadExecutor的问题一样, 都是任务队列太长, 可能会导致OOM.

  4. newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

    定时器任务, 这个线程池和cachedThreadPool的问题是一样的, 最大线程数量太大.

并行和并发

并发: concurrent

并行: parallel

并发指任务提交, 并行指任务执行.

并行是并发的子集.

ThreadPoolExecutor源码解析

1、常用变量的解释

// 1. `ctl`,可以看做一个int类型的数字,高3位表示线程池状态,低29位表示worker数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 2. `COUNT_BITS`,`Integer.SIZE`为32,所以`COUNT_BITS`为29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 3. `CAPACITY`,线程池允许的最大线程数。1左移29位,然后减1,即为 2^29 - 1
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// runState is stored in the high-order bits
// 4. 线程池有5种状态,按大小排序如下:RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED
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;

// Packing and unpacking ctl
// 5. `runStateOf()`,获取线程池状态,通过按位与操作,低29位将全部变成0
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
// 6. `workerCountOf()`,获取线程池worker数量,通过按位与操作,高3位将全部变成0
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
// 7. `ctlOf()`,根据线程池状态和线程池worker数量,生成ctl值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

/*
 * Bit field accessors that don't require unpacking ctl.
 * These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.
 */
// 8. `runStateLessThan()`,线程池状态小于xx
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
    return c < s;
}
// 9. `runStateAtLeast()`,线程池状态大于等于xx
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
    return c >= s;
}

2、构造方法

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    // 基本类型参数校验
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 空指针校验
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    // 根据传入参数`unit`和`keepAliveTime`,将存活时间转换为纳秒存到变量`keepAliveTime `中
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

3、提交执行task的过程

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    /*
     * Proceed in 3 steps:
     *
     * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
     * start a new thread with the given command as its first
     * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
     * workerCount, and so prevents false alarms that would add
     * threads when it shouldn't, by returning false.
     *
     * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
     * to double-check whether we should have added a thread
     * (because existing ones died since last checking) or that
     * the pool shut down since entry into this method. So we
     * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
     * stopped, or start a new thread if there are none.
     *
     * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
     * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
     * and so reject the task.
     */
    int c = ctl.get();
    // worker数量比核心线程数小,直接创建worker执行任务
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    // worker数量超过核心线程数,任务直接进入队列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 线程池状态不是RUNNING状态,说明执行过shutdown命令,需要对新加入的任务执行reject()操作。
        // 这儿为什么需要recheck,是因为任务入队列前后,线程池的状态可能会发生变化。
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 这儿为什么需要判断0值,主要是在线程池构造方法中,核心线程数允许为0
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 如果线程池不是运行状态,或者任务进入队列失败,则尝试创建worker执行任务。
    // 这儿有3点需要注意:
    // 1. 线程池不是运行状态时,addWorker内部会判断线程池状态
    // 2. addWorker第2个参数表示是否创建核心线程
    // 3. addWorker返回false,则说明任务执行失败,需要执行reject操作
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

4、addworker源码解析

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

        // 这个条件写得比较难懂,我对其进行了调整,和下面的条件等价
        // (rs > SHUTDOWN) || 
        // (rs == SHUTDOWN && firstTask != null) || 
        // (rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty())
        // 1. 线程池状态大于SHUTDOWN时,直接返回false
        // 2. 线程池状态等于SHUTDOWN,且firstTask不为null,直接返回false
        // 3. 线程池状态等于SHUTDOWN,且队列为空,直接返回false
        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        // 内层自旋
        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            // worker数量超过容量,直接返回false
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            // 使用CAS的方式增加worker数量。
            // 若增加成功,则直接跳出外层循环进入到第二部分
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            // 线程池状态发生变化,对外层循环进行自旋
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // 其他情况,直接内层循环进行自旋即可
            // 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;
            // worker的添加必须是串行的,因此需要加锁
            mainLock.lock();
            try {
                // Recheck while holding lock.
                // Back out on ThreadFactory failure or if
                // shut down before lock acquired.
                // 这儿需要重新检查线程池状态
                int rs = runStateOf(ctl.get());

                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    // worker已经调用过了start()方法,则不再创建worker
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    // worker创建并添加到workers成功
                    workers.add(w);
                    // 更新`largestPoolSize`变量
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // 启动worker线程
            if (workerAdded) {
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        // worker线程启动失败,说明线程池状态发生了变化(关闭操作被执行),需要进行shutdown相关操作
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

5、线程池worker任务单元

private final class Worker
    extends AbstractQueuedSynchronizer
    implements Runnable
{
    /**
     * This class will never be serialized, but we provide a
     * serialVersionUID to suppress a javac warning.
     */
    private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

    /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
    final Thread thread;
    /** Initial task to run.  Possibly null. */
    Runnable firstTask;
    /** Per-thread task counter */
    volatile long completedTasks;

    /**
     * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
     * @param firstTask the first task (null if none)
     */
    Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
        this.firstTask = firstTask;
        // 这儿是Worker的关键所在,使用了线程工厂创建了一个线程。传入的参数为当前worker
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }

    /** Delegates main run loop to outer runWorker  */
    public void run() {
        runWorker(this);
    }

    // 省略代码...
}

6、核心线程执行逻辑-runworker

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    // 调用unlock()是为了让外部可以中断
    w.unlock(); // allow interrupts
    // 这个变量用于判断是否进入过自旋(while循环)
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        // 这儿是自旋
        // 1. 如果firstTask不为null,则执行firstTask;
        // 2. 如果firstTask为null,则调用getTask()从队列获取任务。
        // 3. 阻塞队列的特性就是:当队列为空时,当前线程会被阻塞等待
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // 这儿对worker进行加锁,是为了达到下面的目的
            // 1. 降低锁范围,提升性能
            // 2. 保证每个worker执行的任务是串行的
            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
            // 如果线程池正在停止,则对当前线程进行中断操作
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            // 执行任务,且在执行前后通过`beforeExecute()`和`afterExecute()`来扩展其功能。
            // 这两个方法在当前类里面为空实现。
            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 {
                // 帮助gc
                task = null;
                // 已完成任务数加一 
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        // 自旋操作被退出,说明线程池正在结束
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

WorkStealingPool

public static ExecutorService newWorkStealingPool() {
    return new ForkJoinPool
        (Runtime.getRuntime().availableProcessors(),
         ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
         null, true);
}

WorkStealingPool和原来的区别就是, 每个线程都有自己单独的队列. 当某个线程执行完自己的任务时, 会去其他线程的队列中偷一个任务.

而原本的线程池都是ThreadPoolExecutor, WorkStealingPool是ForkJoinPool.

ForkJoinPool

ForkJoinPool适合做把一个大任务切分成一个个小任务, 小任务执行完的结果再汇总.

因为任务需要可以进行切分, 所以要求任务继承ForkJoinTask. 我们可以使用ForkJoinTask的子类RecursiveTask和RecursiveAction.

public class Test05 {

    static int[] nums = new int[1000000];
    static final int MAX_NUM = 50000;
    static Random random = new Random();

    static {
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            nums[i] = random.nextInt();
        }
        System.out.println("single calculate sum : " + Arrays.stream(nums).sum());
    }

    static class AddTask extends RecursiveTask<Long> {

        int start;
        int end;

        public AddTask(int start, int end){
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected Long compute() {
            if (end - start <= MAX_NUM){
                long sum = 0;
                for (int i = start; i < end; i++) {
                    sum += nums[i];
                }
                return sum;
            }else {
                int middle = start + (end - start) / 2;

                AddTask subTask1 = new AddTask(start, middle);
                AddTask subTask2 = new AddTask(middle, end);
                subTask1.fork();
                subTask2.fork();
                return subTask1.join() + subTask2.join();
            }
        }
    }
//    static class AddTask extends RecursiveAction {
//
//        int start;
//        int end;
//
//        public AddTask(int start, int end){
//            this.start = start;
//            this.end = end;
//        }
//
//        @Override
//        protected void compute() {
//            if (end - start <= MAX_NUM){
//                long sum = 0;
//                for (int i = start; i <= end; i++) {
//                    sum += i;
//                }
//                System.out.println("from : " + start + " to : " + end + " sum = " + sum);
//            }else {
//                int middle = start + (end - start) / 2;
//
//                AddTask subTask1 = new AddTask(start, middle);
//                AddTask subTask2 = new AddTask(middle + 1, end);
//                subTask1.fork();
//                subTask2.fork();
//            }
//        }
//    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ForkJoinPool fjp = new ForkJoinPool();
        AddTask task = new AddTask(0, nums.length);
        fjp.execute(task);

        System.out.println(task.join());

        System.in.read();
    }
}

ParallelStream

ParallelStream也是使用ForkJoinPool的一个Stream.

Disruptor

单机性能最好的MQ

Disruptor的特点

无锁, 高并发, 使用环形Buffer, 直接覆盖(不用清除)旧的数据, 降低GC频率

实现了基于时间的生产者消费者模式(观察者模式)


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《多线程与高并发(四)》 由 echi1995 采用 知识共享署名 4.0 国际许可协议 进行许可。
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