從零手寫Java線程池到性能優(yōu)化
那今天，我們就一起花10分鐘手?jǐn)]一個(gè)極簡版的Java線程池，讓小伙伴們更好的理解線程池的核心原理。
本文的整體結(jié)構(gòu)如下所示。
Java線程池核心原理
看過Java線程池源碼的小伙伴都知道，在Java線程池中最核心的類就是ThreadPoolExecutor，而在ThreadPoolExecutor類中最核心的構(gòu)造方法就是帶有7個(gè)參數(shù)的構(gòu)造方法，如下所示。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)各參數(shù)的含義如下所示。
- corePoolSize：線程池中的常駐核心線程數(shù)。
- maximumPoolSize：線程池能夠容納同時(shí)執(zhí)行的最大線程數(shù)，此值大于等于1。
- keepAliveTime：多余的空閑線程存活時(shí)間，當(dāng)空間時(shí)間達(dá)到keepAliveTime值時(shí)，多余的線程會(huì)被銷毀直到只剩下corePoolSize個(gè)線程為止。
- unit：keepAliveTime的單位。
- workQueue：任務(wù)隊(duì)列，被提交但尚未被執(zhí)行的任務(wù)。
- threadFactory：表示生成線程池中工作線程的線程工廠，用戶創(chuàng)建新線程，一般用默認(rèn)即可。
- handler：拒絕策略，表示當(dāng)線程隊(duì)列滿了并且工作線程大于等于線程池的最大顯示數(shù)(maxnumPoolSize)時(shí)，如何來拒絕請求執(zhí)行的runnable的策略。
并且Java的線程池是通過 生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式 實(shí)現(xiàn)的，線程池的使用方是生產(chǎn)者，而線程池本身就是消費(fèi)者。
Java線程池的核心工作流程如下圖所示。
手?jǐn)]Java線程池
我們自己手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的線程池要比Java自身的線程池簡單的多，我們?nèi)サ袅烁鞣N復(fù)雜的處理方式，只保留了最核心的原理：線程池的使用者向任務(wù)隊(duì)列中添加任務(wù)，而線程池本身從任務(wù)隊(duì)列中消費(fèi)任務(wù)并執(zhí)行任務(wù)。
只要理解了這個(gè)核心原理，接下來的代碼就簡單多了。在實(shí)現(xiàn)這個(gè)簡單的線程池時(shí)，我們可以將整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行拆解。拆解后的實(shí)現(xiàn)流程為：定義核心字段、創(chuàng)建內(nèi)部類WorkThread、創(chuàng)建ThreadPool類的構(gòu)造方法和創(chuàng)建執(zhí)行任務(wù)的方法。
定義核心字段
首先，我們創(chuàng)建一個(gè)名稱為ThreadPool的Java類，并在這個(gè)類中定義如下核心字段。
- DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE：靜態(tài)常量，表示默認(rèn)的阻塞隊(duì)列大小。
- workQueue：模擬實(shí)際的線程池使用阻塞隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。
- workThreads：模擬實(shí)際的線程池使用List集合保存線程池內(nèi)部的工作線程。
核心代碼如下所示。
//默認(rèn)阻塞隊(duì)列大小
private static final int DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;
//模擬實(shí)際的線程池使用阻塞隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式
private BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//模擬實(shí)際的線程池使用List集合保存線程池內(nèi)部的工作線程
private List<WorkThread> workThreads = new ArrayList<WorkThread>();創(chuàng)建內(nèi)部類WordThread
在ThreadPool類中創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程。主要的作用就是消費(fèi)workQueue中的任務(wù)，并執(zhí)行任務(wù)。由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務(wù)，所以，這里使用了while(true)循環(huán)不斷嘗試消費(fèi)隊(duì)列中的任務(wù)。
核心代碼如下所示。
//內(nèi)部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程
//主要的作用就是消費(fèi)workQueue中的任務(wù)，并執(zhí)行
//由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務(wù)，使用了while(true)循環(huán)不斷嘗試消費(fèi)隊(duì)列中的任務(wù)
class WorkThread extends Thread{
@Override
public void run() {
//不斷循環(huán)獲取隊(duì)列中的任務(wù)
while (true){
//當(dāng)沒有任務(wù)時(shí)，會(huì)阻塞
try {
Runnable workTask = workQueue.take();
workTask.run();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}創(chuàng)建ThreadPool類的構(gòu)造方法
這里，我們?yōu)門hreadPool類創(chuàng)建兩個(gè)構(gòu)造方法，一個(gè)構(gòu)造方法中傳入線程池的容量大小和阻塞隊(duì)列，另一個(gè)構(gòu)造方法中只傳入線程池的容量大小。
核心代碼如下所示。
//在ThreadPool的構(gòu)造方法中傳入線程池的大小和阻塞隊(duì)列
public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){
this.workQueue = workQueue;
//創(chuàng)建poolSize個(gè)工作線程并將其加入到workThreads集合中
IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
WorkThread workThread = new WorkThread();
workThread.start();
workThreads.add(workThread);
});
}
//在ThreadPool的構(gòu)造方法中傳入線程池的大小
public ThreadPool(int poolSize){
this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
}創(chuàng)建執(zhí)行任務(wù)的方法
在ThreadPool類中創(chuàng)建執(zhí)行任務(wù)的方法execute()，execute()方法的實(shí)現(xiàn)比較簡單，就是將方法接收到的Runnable任務(wù)加入到workQueue隊(duì)列中。
核心代碼如下所示。
//通過線程池執(zhí)行任務(wù)
public void execute(Runnable task){
try {
workQueue.put(task);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}完整源碼
這里，我們給出手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的ThreadPool線程池的完整源代碼，如下所示。
package io.binghe.thread.pool;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 自定義線程池
*/
publicclass ThreadPool {
//默認(rèn)阻塞隊(duì)列大小
privatestaticfinalint DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;
//模擬實(shí)際的線程池使用阻塞隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式
private BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//模擬實(shí)際的線程池使用List集合保存線程池內(nèi)部的工作線程
private List<WorkThread> workThreads = new ArrayList<WorkThread>();
//在ThreadPool的構(gòu)造方法中傳入線程池的大小和阻塞隊(duì)列
public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){
this.workQueue = workQueue;
//創(chuàng)建poolSize個(gè)工作線程并將其加入到workThreads集合中
IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
WorkThread workThread = new WorkThread();
workThread.start();
workThreads.add(workThread);
});
}
//在ThreadPool的構(gòu)造方法中傳入線程池的大小
public ThreadPool(int poolSize){
this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
}
//通過線程池執(zhí)行任務(wù)
public void execute(Runnable task){
try {
workQueue.put(task);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//內(nèi)部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程
//主要的作用就是消費(fèi)workQueue中的任務(wù)，并執(zhí)行
//由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務(wù)，使用了while(true)循環(huán)不斷嘗試消費(fèi)隊(duì)列中的任務(wù)
class WorkThread extends Thread{
@Override
public void run() {
//不斷循環(huán)獲取隊(duì)列中的任務(wù)
while (true){
//當(dāng)沒有任務(wù)時(shí)，會(huì)阻塞
try {
Runnable workTask = workQueue.take();
workTask.run();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}沒錯(cuò)，我們僅僅用了幾十行Java代碼就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)極簡版的Java線程池，沒錯(cuò)，這個(gè)極簡版的Java線程池的代碼卻體現(xiàn)了Java線程池的核心原理。
接下來，我們測試下這個(gè)極簡版的Java線程池。
編寫測試程序
測試程序也比較簡單，就是通過在main()方法中調(diào)用ThreadPool類的構(gòu)造方法，傳入線程池的大小，創(chuàng)建一個(gè)ThreadPool類的實(shí)例，然后循環(huán)10次調(diào)用ThreadPool類的execute()方法，向線程池中提交的任務(wù)為：打印當(dāng)前線程的名稱--->> Hello ThreadPool。
整體測試代碼如下所示。
package io.binghe.thread.pool.test;
import io.binghe.thread.pool.ThreadPool;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 測試自定義線程池
*/
publicclass ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args){
ThreadPool threadPool = new ThreadPool(10);
IntStream.range(0, 10).forEach((i) -> {
threadPool.execute(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->> Hello ThreadPool");
});
});
}
}接下來，運(yùn)行ThreadPoolTest類的main()方法，會(huì)輸出如下信息。
Thread-0--->> Hello ThreadPool
Thread-9--->> Hello ThreadPool
Thread-5--->> Hello ThreadPool
Thread-8--->> Hello ThreadPool
Thread-4--->> Hello ThreadPool
Thread-1--->> Hello ThreadPool
Thread-2--->> Hello ThreadPool
Thread-5--->> Hello ThreadPool
Thread-9--->> Hello ThreadPool
Thread-0--->> Hello ThreadPool至此，我們自定義的Java線程池就開發(fā)完成了。
總結(jié)
線程池的核心原理其實(shí)并不復(fù)雜，只要我們耐心的分析，深入其源碼理解線程池的核心本質(zhì)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)線程池的設(shè)計(jì)原來是如此的優(yōu)雅。希望通過這個(gè)手寫線程池的小例子，能夠讓你更好的理解線程池的核心原理。
注意：本章，我們實(shí)現(xiàn)的手寫線程池是極簡版的線程池，在《深入理解高并發(fā)編程：JDK核心技術(shù)》一書中，我們實(shí)現(xiàn)了手寫升級版的線程池，涵蓋：核心線程數(shù)、最大線程數(shù)、任務(wù)隊(duì)列、線程空閑超時(shí)時(shí)間、拒絕策略等。大家可以到拉取如下代碼到本地進(jìn)行查看。
- GitHub：https://github.com/binghe001/mykit-concurrent-jdk。
- Gitee：https://gitee.com/binghe001/mykit-concurrent-jdk。
- GitCode：https://gitcode.net/binghe001/mykit-concurrent-jdk
拉取代碼后，mykit-concurrent-threadpool工程下的代碼便是手寫的升級版線程池，大家在理解JDK線程池執(zhí)行任務(wù)的流程基礎(chǔ)上，自行查看即可，這里不再贅述。
