[移动开发] Android架构师必备技能

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[移动开发]Android架构师必备技能 | 并发编程之线程池

线程池

Java的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或者并发执行任务的程序都可以使用线程池。

使用线程池能带来的好处：

降低资源消耗
提高响应速度
提高线程的可管理性

线程池底层实现分析

Java 中提供了四种线程池创建方法，分别是：

newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
newFixedThreadPool
创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool
创建一个可定期或者延时执行任务的定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。

1，newSingleThreadExecutor

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

可以看到 corePoolSize、maximumPoolSize 都是 1 ，keepAliveTime 是 0 ，使用的是 LinkedBlockingQueue 队列。

解释：创建只有一个线程的线程池，且线程的存活时间是无限的；当该线程正繁忙时，对于新任务会进入阻塞队列中(无界的阻塞队列)

demo：

public class FourThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
ScheduledThreadPoolExecutorTest().ScheduledThreadPoolExecutorTest();
        ExecutorService executorService = new newSingleThreadExecutor().newSingleThreadExecutor();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(new TestRunnable());
        }
        executorService.shutdown();
    }

}
class TestRunnable implements Runnable {
    static int i = 1;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  线程被调用了。第" + getCount() + "次");
    }
    public static int getCount() {
        return i++;
    }
}
class newSingleThreadExecutor {

    ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        /**
         * 1
         * 此线程池 Executor 只有一个线程。它用于以顺序方式的形式执行任务。
         * 如果此线程在执行任务时因异常而挂掉，则会创建一个新线程来替换此线程，后续任务将在新线程中执行。
         */
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        return executorService;
    }
}

输出：

pool-1-thread-1  线程被调用了。第1次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第2次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第3次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第4次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第5次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第6次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第7次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第8次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第9次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第10次

2，newFixedThreadPool

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

可以看到 corePoolSize 和 maximumPoolSize 一样，由调用者自己设定传入，keepAliveTime 是 0 ，使用的是 LinkedBlockingQueue 队列。

解释：创建可容纳固定数量线程的池子，每隔线程的存活时间是无限的，当池子满了就不在添加线程了；如果池中的所有线程均在繁忙状态，对于新任务会进入阻塞队列中(无界的阻塞队列)

可以看到上面两种线程池都是使用了 LinkedBlockingQueue ，而且默认使用的是 new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

继续扒一下这个 LinkedBlockingQueue 的默认大小

public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

竟然是 int 类型的最大值

@Native public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;

就是说这个队列里面可以放 2^31-1 = 2147483647 个任务。

demo:

public class FourThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
ScheduledThreadPoolExecutorTest().ScheduledThreadPoolExecutorTest();
        ExecutorService executorService = new newFixedThreadPool().newFixedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(new TestRunnable());
        }
        executorService.shutdown();
    }

}
class TestRunnable implements Runnable {
    static int i = 1;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  线程被调用了。第" + getCount() + "次");
    }
    public static int getCount() {
        return i++;
    }
}
class newFixedThreadPool {
    ExecutorService newFixedThreadPool() {
        /**
         * 2
         * 它是一个拥有固定数量线程的线程池。提交给 Executor 的任务由固定的 n 个线程执行，
         * 如果有更多的任务，它们存储在 LinkedBlockingQueue 里。这个数字 n 通常跟底层处理器CPU支持的线程总数有关。
         */
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        return executorService;
    }
}

输出：

pool-1-thread-1  线程被调用了。第1次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第2次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第4次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第5次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第6次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第7次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第3次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第10次
pool-1-thread-2  线程被调用了。第9次
pool-1-thread-3  线程被调用了。第8次

可以看到最多只有 3 个线程，哪个线程空闲了就执行，超过 corePoolSize=3后，任务会被丢到 LinkedBlockingQueue 队列，因为LinkedBlockingQueue 很大，所以执行完前面的任务，空闲后会执行队列 LinkedBlockingQueue 里面的任务。

3，newScheduledThreadPool

public class ScheduledThreadPoolExecutor
        extends ThreadPoolExecutor
        implements ScheduledExecutorService {
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }
}

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

这里的 super 还是会调用 ThreadPoolExecutor 的方法。

可以看到 corePoolSize 由调用者自己设定传入，maximumPoolSize 是 int的最大值，keepAliveTime 是 0 ，使用的是 DelayedWorkQueue 队列。

new DelayedWorkQueue() : 一个按超时时间升序排序的队列，顾名思义，可以延迟执行。

我们可以自定义设置队列的延迟策略：

 * @param command the task to execute
 * @param initialDelay the time to delay first execution
 * @param period the period between successive executions
 * @param unit the time unit of the initialDelay and period parameters
 * @return a ScheduledFuture representing pending completion of
 *         the task, and whose {@code get()} method will throw an
 *         exception upon cancellation
 * @throws RejectedExecutionException if the task cannot be
 *         scheduled for execution
 * @throws NullPointerException if command is null
 * @throws IllegalArgumentException if period less than or equal to zero
 */
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                              long initialDelay,
                                              long period,
                                              TimeUnit unit);

demo：

class ScheduledThreadPoolExecutorTest {

    ScheduledExecutorService ScheduledThreadPoolExecutorTest() {
        /**
         * 3
         * 当我们有一个需要定期运行的任务或者我们希望延迟某个任务时，就会使用此类型的 executor。
         */
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);

        System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));
        //创建并执行在给定延迟后启用的单次操作。延迟2秒后启动，但是只执行一次。
        //        executorService.schedule(new TestRunnable(), 2, TimeUnit.SECONDS);
        //延迟2秒后启动，之后每间隔1秒执行一次
        executorService.scheduleAtFixedRate(new TestRunnable(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);

        return executorService;
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ScheduledThreadPoolExecutorTest().ScheduledThreadPoolExecutorTest();
    }

}

class TestRunnable implements Runnable {
    static int i = 1;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  线程被调用了。第" + getCount() + "次");
    }

    public static int getCount() {
        return i++;
    }
}

输出：

2020-07-15 18:03:47
2020-07-15 18:03:49
pool-1-thread-1  线程被调用了。第1次
2020-07-15 18:03:50
pool-1-thread-1  线程被调用了。第2次
2020-07-15 18:03:51
pool-1-thread-2  线程被调用了。第3次
2020-07-15 18:03:52
pool-1-thread-2  线程被调用了。第4次
2020-07-15 18:03:53
pool-1-thread-2  线程被调用了。第5次
2020-07-15 18:03:54
pool-1-thread-2  线程被调用了。第6次
2020-07-15 18:03:55
pool-1-thread-2  线程被调用了。第7次

4，newCachedThreadPool

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

corePoolSize为0；maximumPoolSize 为 Integer.MAX_VALUE；keepAliveTime 为 60L ，单位是秒，使用 SynchronousQueue 队列。

解释：SynchronousQueue 是同步队列，因此会在池中寻找可用线程来执行，若有可以线程则执行，若没有可用线程则创建一个线程来执行该任务；若池中线程空闲时间超过指定大小，则该线程会被销毁。

适用：执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器

demo：

public class FourThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
ScheduledThreadPoolExecutorTest().ScheduledThreadPoolExecutorTest();
        ExecutorService executorService = new newCachedThreadPoolTest().newCachedThreadPoolTest();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(new TestRunnable());
        }
        executorService.shutdown();
    }

}
class TestRunnable implements Runnable {
    static int i = 1;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  线程被调用了。第" + getCount() + "次");
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static int getCount() {
        return i++;
    }
}

class newCachedThreadPoolTest {
    ExecutorService newCachedThreadPoolTest() {
        /**
         * 4
         * 此线程池的线程数不受限制。如果所有的线程都在忙于执行任务并且又有新的任务到来了，这个线程池将创建一个新的线程并将其提交到 Executor。
         * 只要其中一个线程变为空闲，它就会执行新的任务。 如果一个线程有 60 秒的时间都是空闲的，它们将被结束生命周期并从缓存中删除。
         */
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        return executorService;
    }
}

执行结果：

pool-1-thread-2  线程被调用了。第1次
pool-1-thread-1  线程被调用了。第2次
pool-1-thread-3  线程被调用了。第3次
pool-1-thread-4  线程被调用了。第4次
pool-1-thread-5  线程被调用了。第5次
pool-1-thread-6  线程被调用了。第6次
pool-1-thread-7  线程被调用了。第7次
pool-1-thread-8  线程被调用了。第8次
pool-1-thread-9  线程被调用了。第9次
pool-1-thread-10  线程被调用了。第10次

线程池任务执行流程：

当线程池小于 corePoolSize 时，新提交任务将创建一个新线程执行任务，即使此时线程池中存在空闲线程；
当线程池达到 corePoolSize 时，新提交任务将被放入 workQueue 中，等待线程池中任务调度执行；
当 workQueue 已满，且 maximumPoolSize>corePoolSize 时，新提交任务会创建新线程执行任务；
当提交任务数超过 maximumPoolSize 时，新提交任务由RejectedExecutionHandler 处理；
当线程池中超过 corePoolSize 线程，空闲时间达到 keepAliveTime 时，关闭空闲线程；
当设置 allowCoreThreadTimeOut(true)时，线程池中 corePoolSize 线程空闲时间达到 keepAliveTime 也将关闭；

工作队列排队策略

1、已经说过当线程池中工作线程的总数量超过核心线程数量后，新加的任务就会放入工作队列中进行等待被执行

2、使用线程池就得创建ThreadPoolExecutor对象，通过ThreadPoolExecutor(线程池)类的构造方法创建时，就得指定工作队列，它是BlockingQueue接口，而实际开发中是指定此接口的具体实现类，常用的如下所示。

SynchronousQueue 直接提交

直接提交策略----意思是工作队列不保存任何任务被等待执行，而是直接提交给线程进行执行。
工作队列的默认选项是 SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程而不保存它们。
如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。
此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。
Executors 的 newCacheThreadPool() 方法创建线程池，就是使用的此种排队策略

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

LinkedBlockingQueue 无界队列

无界队列策略----无界指的是工作队列大小没有上限，可以添加无数个任务进行等待。
使用无界队列将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。于是创建的线程就不会超过 corePoolSize。因此，maximumPoolSize 的值也就无效了。所以一般让corePoolSize等于maximumPoolSize
当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列
Executors 的 newFixedThreadPool(int nThreads) 方法创建线程池，就是使用的此种排队策略

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

ArrayBlockingQueue 有界队列

有界队列策略----意思是工作队列的大小是有限制的
优点是可以防止资源耗尽的情况发生，因为如果工作队列被无休止的添加任务也是很危险的
当工作队列排满后，就会执行线程饱和策略

// 构造线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(3, 4, 
        3, TimeUnit.SECONDS, 
        new ArrayBlockingQueue<Runnable>(2),
        new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());

如上核心线程为3个，每个线程的工作队列大小为2(即队列中最多有两个任务在等待执行)，线程池最大线程数为4个
所以当工作线程数小于等于3时，直接新建线程执行任务；超过3时，任务会被添加进工作队列进行等待，3*2=6，当工作队列等待的任务数超过6个以后，则又会新建一个线程，此时整个线程池线程总数已经达到了4个，当还有任务进行添加时，此时将采取饱和策略。

手写简单线程池

实现一个简单的线程池的demo案例：

package main;
 
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 
public class MyThreadPool2 {
	// 线程池中线程个数为5
	private static int WORK_NUM = 5;
	// 队列中的队列任务为100
	private static int TASK_COUNT = 100;
 
	// 工作线程组
	private WorkThread[] workThreads;
 
	// 任务队列
	private BlockingQueue<Runnable> taskQueue = null;
	private final int worker_num;// 用户构造这个线程池的时候希望启用的线程组
 
	// 根据个数创建默认的线程池
	public MyThreadPool2() {
		this(WORK_NUM, TASK_COUNT);
	}
 
	@Override
	public String toString() {
		return "MyThreadPool2 [workThreads=" + Arrays.toString(workThreads) + ", taskQueue=" + taskQueue
				+ ", worker_num=" + worker_num + "]";
	}
 
	public MyThreadPool2(int worker_num, int taskCount) {
		if (WORK_NUM <= 0) {
			worker_num = WORK_NUM;
		}
		if (taskCount <= 0) {
			taskCount = TASK_COUNT;
		}
		this.worker_num = worker_num;
		taskQueue = new ArrayBlockingQueue<>(taskCount);
 
		workThreads = new WorkThread[worker_num];
		for (int i = 0; i < worker_num; i++) {
			workThreads[i]=new WorkThread();
	    	workThreads[i].stopWorker();
			workThreads[i].start();
		}
 
	}
 
	// 执行任务，把任务加入队列中，什么时候执行由线程池来决定
	public void execute(Runnable task) {
		try {
			taskQueue.put(task);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}
	public void destory()
	{
		System.out.println("ready close pool");
		for (int i=0;i<worker_num;i++)
		{
			workThreads[i].stopWorker();
			workThreads[i]=null;
		}
		taskQueue.clear();
		
	}
	
 
	/**
	 * 内部类，工作线程
	 * 
	 * @author xuyuanfeng
	 *
	 */
	private class WorkThread extends Thread {
 
		public WorkThread() {
			// TODO Auto-generated constructor stub
		}
 
		@Override
		public void run() {
			Runnable r = null;
			// 当前线程有没有被终止
			while (!isInterrupted()) {
				try {
					r = taskQueue.take();
					if (r != null) {
						System.out.println(getId() + " ready exec:" + r);
						r.run();
					}
					r = null;
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				} // 拿到任务
 
			}
		}
 
		//中断线程
		public void stopWorker() {
			interrupt();
		}
	}
 
}

package main;
 
import java.util.Random;
 
public class Main {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
		MyThreadPool2 t = new MyThreadPool2(3, 0);
		t.execute(new MyThread("testA"));
		t.execute(new MyThread("testB"));
		t.execute(new MyThread("testC"));
		t.execute(new MyThread("testD"));
		t.execute(new MyThread("testE"));
		Thread.sleep(10000);
		t.destory();
		System.out.println(t.toString());
 
	}
 
	static class MyThread implements Runnable {
		private String name;
		private Random r = new Random();
 
		public MyThread(String name) {
			this.name = name;
		}
 
		public String getName() {
			return name;
		}
 
		@Override
		public void run() {
 
			try {
				Thread.sleep(r.nextInt(1000) + 2000);
			} catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("线程断开了");
//				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("任务" + name + "完成");
 
		}
 
	}
 
}

测试结果
在这里插入图片描述

参考：https://www.cnblogs.com/zincredible/p/10984459.html
https://blog.csdn.net/wangmx1993328/article/details/80582803
https://blog.csdn.net/RAVEEE/article/details/91353665

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