什么是線程池
所謂線程池，就是將多個(gè)線程放在一個(gè)池子里面（所謂池化技術(shù)），然后需要線程的時(shí)候不是創(chuàng)建一個(gè)線程，而是從線程池里面獲取一個(gè)可用的線程，然后執(zhí)行我們的任務(wù)。線程池的關(guān)鍵在于它為我們管理了多個(gè)線程，我們不需要關(guān)心如何創(chuàng)建線程，我們只需要關(guān)系我們的核心業(yè)務(wù)，然后需要線程來(lái)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候從線程池中獲取線程。任務(wù)執(zhí)行完之后線程不會(huì)被銷毀，而是會(huì)被重新放到池子里面，等待機(jī)會(huì)去執(zhí)行任務(wù)。
我們?yōu)槭裁葱枰€程池呢？首先一點(diǎn)是線程池為我們提高了一種簡(jiǎn)易的多線程編程方案，我們不需要投入太多的精力去管理多個(gè)線程，線程池會(huì)自動(dòng)幫我們管理好，它知道什么時(shí)候該做什么事情，我們只要在需要的時(shí)候去獲取就可以了。其次，我們使用線程池很大程度上歸咎于創(chuàng)建和銷毀線程的代價(jià)是非常昂貴的，甚至我們創(chuàng)建和銷毀線程的資源要比我們實(shí)際執(zhí)行的任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間還要長(zhǎng)，這顯然是不科學(xué)也是不合理的，而且如果沒(méi)有一個(gè)合理的管理者，可能會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建了過(guò)多的線程的情況，也就是在JVM中存活的線程過(guò)多，而存活著的線程也是需要銷毀資源的，另外一點(diǎn)，過(guò)多的線程可能會(huì)造成線程過(guò)度切換的尷尬境地。
如何使用線程池。
定義2個(gè)線程
public class PlayThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
for(int i=0;i<100;i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"在玩");
}
}
}
public class WorkThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在工作");
}
}
}
普通線程池
// 普通線程池
public static void fun1() {
// 1創(chuàng)建一個(gè)線程池 2個(gè)線程
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
// 2提交任務(wù)
WorkThread work1 = new WorkThread();
WorkThread work2 = new WorkThread();
PlayThread play = new PlayThread();
// execute()方法沒(méi)有返回值 submit()方法有返回值
executorService.execute(work1);
executorService.execute(work2);
executorService.execute(play);
// 初始2個(gè)。執(zhí)行3個(gè)線程 前面2個(gè)執(zhí)行完畢了。第三個(gè)才會(huì)執(zhí)行
// 3停止線程池
// executorService.shutdownNow();
}
調(diào)度線程池
// 調(diào)度線程池
public static void fun2() {
// 1創(chuàng)建一個(gè)調(diào)度線程池
ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);
// 2提交周期性任務(wù)
WorkThread work1 = new WorkThread();
// command：執(zhí)行線程
// initialDelay：初始化延時(shí)
// period：兩次開(kāi)始執(zhí)行最小間隔時(shí)間
// unit：計(jì)時(shí)單位
scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(work1, 10, 2, TimeUnit.SECONDS);
// 3停止線程池
// scheduledExecutorService.shutdownNow();
}
可以發(fā)現(xiàn)使用線程池非常簡(jiǎn)單，只需要極少的代碼就可以創(chuàng)建出我們需要的線程池，然后將我們的任務(wù)提交到線程池中去。我們只需要在結(jié)束之時(shí)記得關(guān)閉線程池就可以了。本文的重點(diǎn)并非在于如何使用線程池，而是試圖剖析線程池的實(shí)現(xiàn)，比如一個(gè)調(diào)度線程池是怎么實(shí)現(xiàn)的？是靠什么實(shí)現(xiàn)的？為什么能這樣實(shí)現(xiàn)等等問(wèn)題。
Java線程池實(shí)現(xiàn)架構(gòu)
Java中與線程池相關(guān)的類有下面一些：
Executor
ExecutorService
ScheduledExecutorService
ThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor
Executors
通過(guò)上面一節(jié)中的使用示例，可以發(fā)現(xiàn)Executors類是一個(gè)創(chuàng)建線程池的有用的類，事實(shí)上，Executors類的角色也就是創(chuàng)建線程池，它是一個(gè)工廠類，可以產(chǎn)生不同類型的線程池，而Executor是線程池的鼻祖類，它有兩個(gè)子類是ExecutorService和ScheduledExecutorService，而ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor則是真正的線程池，我們的任務(wù)將被這兩個(gè)類交由其所管理者的線程池運(yùn)行，可以發(fā)現(xiàn)，ScheduledThreadPoolExecutor是一個(gè)集大成者類，下面我們可以看看它的類關(guān)系圖：
ScheduledThreadPoolExecutor繼承了ThreadPoolExecutor，ThreadPoolExecutor實(shí)現(xiàn)了一般的線程池，沒(méi)有調(diào)度功能，而ScheduledThreadPoolExecutor繼承了ThreadPoolExecutor的實(shí)現(xiàn)，然后增加了調(diào)度功能。
最為原始的Executor只有一個(gè)方法execute，它接受一個(gè)Runnable類型的參數(shù)，意思是使用線程池來(lái)執(zhí)行這個(gè)Runnable，可以發(fā)現(xiàn)Executor不提供有返回值的任務(wù)。ExecutorService繼承了Executor，并且極大的增強(qiáng)了Executor的功能，不僅支持有返回值的任務(wù)執(zhí)行，而且還有很多十分有用的方法來(lái)為你提供服務(wù)，下面展示了ExecutorService提供的方法：
ScheduledExecutorService繼承了ExecutorService，并且增加了特有的調(diào)度（schedule）功能。關(guān)于Executor、ExecutorService和ScheduledExecutorService的關(guān)系，可以見(jiàn)下圖：
總結(jié)一下，經(jīng)過(guò)我們的調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)對(duì)于我們編寫多線程代碼來(lái)說(shuō)，最為核心的是Executors類，根據(jù)我們是需要ExecutorService類型的線程池還是ScheduledExecutorService類型的線程池調(diào)用相應(yīng)的工廠方法就可以了，而ExecutorService的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)在ThreadPoolExecutor上，ScheduledExecutorService的實(shí)現(xiàn)則表現(xiàn)在ScheduledThreadPoolExecutor上，下文將分別剖析這兩者，嘗試弄清楚線程池的原理。
ThreadPoolExecutor解析
上文中描述了Java中線程池相關(guān)的架構(gòu)，了解了這些內(nèi)容其實(shí)我們就可以使用java的線程池為我們工作了，使用其提供的線程池我們可以很方便的寫出高質(zhì)量的多線程代碼，本節(jié)將分析ThreadPoolExecutor的實(shí)現(xiàn)，來(lái)探索線程池的運(yùn)行原理。下面的圖片展示了ThreadPoolExecutor的類圖：
下面是幾個(gè)比較關(guān)鍵的類成員：
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 任務(wù)隊(duì)列，我們的任務(wù)會(huì)添加到該隊(duì)列里面，線程將從該隊(duì)列獲取任務(wù)來(lái)執(zhí)行
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();//任務(wù)的執(zhí)行值集合，來(lái)消費(fèi)workQueue里面的任務(wù)
private volatile ThreadFactory threadFactory;//線程工廠
private volatile RejectedExecutionHandler handler;//拒絕策略，默認(rèn)會(huì)拋出異異常，還要其他幾種拒絕策略如下：
1、CallerRunsPolicy：在調(diào)用者線程里面運(yùn)行該任務(wù)
2、DiscardPolicy：丟棄任務(wù)
3、DiscardOldestPolicy：丟棄workQueue的頭部任務(wù)
private volatile int corePoolSize;//最低保活work數(shù)量
private volatile int maximumPoolSize;//work上限
我們嘗試執(zhí)行submit方法，下面是執(zhí)行的關(guān)鍵路徑，總結(jié)起來(lái)就是：如果Worker數(shù)量還沒(méi)達(dá)到上限則繼續(xù)創(chuàng)建，否則提交任務(wù)到workQueue，然后讓worker來(lái)調(diào)度運(yùn)行任務(wù)。
step 1: <ExecutorService>
Future<?> submit(Runnable task);
step 2:<AbstractExecutorService>
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
step 3:<Executor>
void execute(Runnable command);
step 4:<ThreadPoolExecutor>
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();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { //提交我們的額任務(wù)到workQueue
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false)) //使用maximumPoolSize作為邊界
reject(command); //還不行？拒絕提交的任務(wù)
}
step 5:<ThreadPoolExecutor>
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
step 6:<ThreadPoolExecutor>
w = new Worker(firstTask); //包裝任務(wù)
final Thread t = w.thread; //獲取線程（包含任務(wù)）
workers.add(w); // 任務(wù)被放到works中
t.start(); //執(zhí)行任務(wù)
上面的流程是高度概括的，實(shí)際情況遠(yuǎn)比這復(fù)雜得多，但是我們關(guān)心的是怎么打通整個(gè)流程，所以這樣分析問(wèn)題是沒(méi)有太大的問(wèn)題的。觀察上面的流程，我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)關(guān)鍵的地方在于Worker，如果弄明白它是如何工作的，那么我們也就大概明白了線程池是怎么工作的了。下面分析一下Worker類。
上面的圖片展示了Worker的類關(guān)系圖，關(guān)鍵在于他實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，所以問(wèn)題的關(guān)鍵就在于run方法上。在這之前，我們來(lái)看一下Worker類里面的關(guān)鍵成員：
final Thread thread;
Runnable firstTask; //我們提交的任務(wù)，可能被立刻執(zhí)行，也可能被放到隊(duì)列里面
thread是Worker的工作線程，上面的分析我們也發(fā)現(xiàn)了在addWorker中會(huì)獲取worker里面的thread然后start，也就是這個(gè)線程的執(zhí)行，而Worker實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，所以在構(gòu)造thread的時(shí)候Worker將自己傳遞給了構(gòu)造函數(shù)，thread.start執(zhí)行的其實(shí)就是Worker的run方法。下面是run方法的內(nèi)容：
public void run() {
runWorker(this);
}
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) {
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);
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 {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
我們來(lái)分析一下runWorker這個(gè)方法，這就是整個(gè)線程池的核心。首先獲取到了我們剛提交的任務(wù)firstTask，然后會(huì)循環(huán)從workQueue里面獲取任務(wù)來(lái)執(zhí)行，獲取任務(wù)的方法如下：
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
其實(shí)核心也就一句：
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
我們?cè)倩仡^看一下execute，其實(shí)我們上面只走了一條邏輯，在execute的時(shí)候，我們的worker的數(shù)量還沒(méi)有到達(dá)我們?cè)O(shè)定的corePoolSize的時(shí)候，會(huì)走上面我們分析的邏輯，而如果達(dá)到了我們?cè)O(shè)定的閾值之后，execute中會(huì)嘗試去提交任務(wù)，如果提交成功了就結(jié)束，否則會(huì)拒絕任務(wù)的提交。我們上面還提到一個(gè)成員：maximumPoolSize，其實(shí)線程池的最大的Worker數(shù)量應(yīng)該是maximumPoolSize，但是我們上面的分析是corePoolSize，這是因?yàn)槲覀兊膒rivate boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)的參數(shù)core的值來(lái)控制的，core為true則使用corePoolSize來(lái)設(shè)定邊界，否則使用maximumPoolSize來(lái)設(shè)定邊界。直觀的解釋一下，當(dāng)線程池里面的Worker數(shù)量還沒(méi)有到corePoolSize，那么新添加的任務(wù)會(huì)伴隨著產(chǎn)生一個(gè)新的worker，如果Worker的數(shù)量達(dá)到了corePoolSize，那么就將任務(wù)存放在阻塞隊(duì)列中等待Worker來(lái)獲取執(zhí)行，如果沒(méi)有辦法再向阻塞隊(duì)列放任務(wù)了，那么這個(gè)時(shí)候maximumPoolSize就變得有用了，新的任務(wù)將會(huì)伴隨著產(chǎn)生一個(gè)新的Worker，如果線程池里面的Worker已經(jīng)達(dá)到了maximumPoolSize，那么接下來(lái)提交的任務(wù)只能被拒絕策略拒絕了。可以參考下面的描述來(lái)理解：
* When a new task is submitted in method {@link #execute(Runnable)},
* and fewer than corePoolSize threads are running, a new thread is
* created to handle the request, even if other worker threads are
* idle. If there are more than corePoolSize but less than
* maximumPoolSize threads running, a new thread will be created only
* if the queue is full. By setting corePoolSize and maximumPoolSize
* the same, you create a fixed-size thread pool. By setting
* maximumPoolSize to an essentially unbounded value such as {@code
* Integer.MAX_VALUE}, you allow the pool to accommodate an arbitrary
* number of concurrent tasks. Most typically, core and maximum pool
* sizes are set only upon construction, but they may also be changed
* dynamically using {@link #setCorePoolSize} and {@link
* #setMaximumPoolSize}.
在此需要說(shuō)明一點(diǎn)，有一個(gè)重要的成員：keepAliveTime，當(dāng)線程池里面的線程數(shù)量超過(guò)corePoolSize了，那么超出的線程將會(huì)在空閑keepAliveTime之后被terminated?？梢詤⒖枷旅娴奈臋n：
* If the pool currently has more than corePoolSize threads,
* excess threads will be terminated if they have been idle for more
* than the keepAliveTime (see {@link #getKeepAliveTime(TimeUnit)}).
ScheduledThreadPoolExecutor解析
ScheduledThreadPoolExecutor適用于延時(shí)執(zhí)行，或者周期性執(zhí)行的任務(wù)調(diào)度，ScheduledThreadPoolExecutor在實(shí)現(xiàn)上繼承了ThreadPoolExecutor，所以你依然可以將ScheduledThreadPoolExecutor當(dāng)成ThreadPoolExecutor來(lái)使用，但是ScheduledThreadPoolExecutor的功能要強(qiáng)大得多，因?yàn)镾cheduledThreadPoolExecutor可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù)來(lái)周期性調(diào)度運(yùn)行，下面的圖片展示了四個(gè)和周期性相關(guān)的方法：
- 如果你想延時(shí)一段時(shí)間之后運(yùn)行一個(gè)Runnable，那么使用第一個(gè)方法
- 如果你想延時(shí)一段時(shí)間然后運(yùn)行一個(gè)Callable，那么使用的第二個(gè)方法
- 如果你想要延時(shí)一段時(shí)間，然后根據(jù)設(shè)定的參數(shù)周期執(zhí)行Runnable，那么可以選擇第三個(gè)和第四個(gè)方法，第三個(gè)方法和第四個(gè)方法的區(qū)別在于：第三個(gè)方法嚴(yán)格按照規(guī)劃的時(shí)間路徑來(lái)執(zhí)行，比如周期為2，延時(shí)為0，那么執(zhí)行的序列為0，2，4，6，8....，而第四個(gè)方法將基于上次執(zhí)行時(shí)間來(lái)規(guī)劃下次的執(zhí)行，也就是在上次執(zhí)行完成之后再次執(zhí)行。比如上面的執(zhí)行序列0，2，4，6，8...，如果第2秒沒(méi)有被調(diào)度執(zhí)行，而在第三秒的時(shí)候才被調(diào)度，那么下次執(zhí)行的時(shí)間不是4，而是5，以此類推。
下面來(lái)看一下這四個(gè)方法的一些細(xì)節(jié)：
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
long delay,
TimeUnit unit) {
if (callable == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
RunnableScheduledFuture<V> t = decorateTask(callable,
new ScheduledFutureTask<V>(callable,
triggerTime(delay, unit)));
delayedExecute(t);
return t;
}
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
long initialDelay,
long period,
TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
ScheduledFutureTask<Void> sft =
new ScheduledFutureTask<Void>(command,
null,
triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(period));
RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
sft.outerTask = t;
delayedExecute(t);
return t;
}
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
long initialDelay,
long period,
TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
ScheduledFutureTask<Void> sft =
new ScheduledFutureTask<Void>(command,
null,
triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(period));
RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
sft.outerTask = t;
delayedExecute(t);
return t;
}
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
long initialDelay,
long delay,
TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
if (delay <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
ScheduledFutureTask<Void> sft =
new ScheduledFutureTask<Void>(command,
null,
triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(-delay));
RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
sft.outerTask = t;
delayedExecute(t);
return t;
}
通過(guò)上面的代碼我們可以發(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)方法是類似的，后兩個(gè)方法也是類似的。前兩個(gè)方法屬于一次性調(diào)度，所以period都為0，區(qū)別在于參數(shù)不同，一個(gè)是Runnable，而一個(gè)是Callable，可笑的是，最后都變?yōu)榱薈allable了，見(jiàn)下面的構(gòu)造函數(shù)：
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
對(duì)于后兩個(gè)方法，區(qū)別僅僅在于period的，scheduleWithFixedDelay對(duì)參數(shù)進(jìn)行了操作，將原來(lái)的時(shí)間變?yōu)樨?fù)數(shù)了，而后面在計(jì)算下次被調(diào)度的時(shí)間的時(shí)候會(huì)根據(jù)這個(gè)參數(shù)的正負(fù)值來(lái)分別處理，正數(shù)代表scheduleAtFixedRate，而負(fù)數(shù)代表了scheduleWithFixedDelay。
一個(gè)需要被我們注意的細(xì)節(jié)是，以上四個(gè)方法最后都會(huì)調(diào)用一個(gè)方法: delayedExecute(t)，下面看一下這個(gè)方法：
private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
if (isShutdown())
reject(task);
else {
super.getQueue().add(task);
if (isShutdown() &&
!canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
remove(task))
task.cancel(false);
else
ensurePrestart();
}
}
大概的意思就是先判斷線程池是否被關(guān)閉了，如果被關(guān)閉了，則拒絕任務(wù)的提交，否則將任務(wù)加入到任務(wù)隊(duì)列中去等待被調(diào)度執(zhí)行。最后的ensurePrestart的意思是需要確保線程池已經(jīng)被啟動(dòng)起來(lái)了。下面是這個(gè)方法：
void ensurePrestart() {
int wc = workerCountOf(ctl.get());
if (wc < corePoolSize)
addWorker(null, true);
else if (wc == 0)
addWorker(null, false);
}
主要是增加了一個(gè)沒(méi)有任務(wù)的worker，有什么用呢？我們還記得Worker的邏輯嗎？addWorker方法的執(zhí)行，會(huì)觸發(fā)Worker的run方法的執(zhí)行，然后runWorker方法就會(huì)被執(zhí)行，而runWorker方法是循環(huán)從workQueue中取任務(wù)執(zhí)行的，所以確保線程池被啟動(dòng)起來(lái)是重要的，而只需要簡(jiǎn)單的執(zhí)行addWorker便會(huì)觸發(fā)線程池的啟動(dòng)流程。對(duì)于調(diào)度線程池來(lái)說(shuō)，只要執(zhí)行了addWorker方法，那么線程池就會(huì)一直在后臺(tái)周期性的調(diào)度執(zhí)行任務(wù)。
到此，似乎我們還是沒(méi)有鬧明白ScheduledThreadPoolExecutor是如何實(shí)現(xiàn)周期性的，上面講到四個(gè)scheduled方法時(shí)，我們沒(méi)有提一個(gè)重要的類：ScheduledFutureTask，對(duì)，所有神奇的事情將會(huì)發(fā)生在這個(gè)類中，下面來(lái)分析一下這個(gè)類。
看上面的類圖，貌似這個(gè)類非常復(fù)雜，還好，我們發(fā)現(xiàn)他實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，那么必然會(huì)有一個(gè)run方法，而這個(gè)run方法必然是整個(gè)類的核心，下面來(lái)看一下這個(gè)run方法的內(nèi)容：
public void run() {
boolean periodic = isPeriodic();
if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
cancel(false);
else if (!periodic)
ScheduledFutureTask.super.run();
else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
setNextRunTime();
reExecutePeriodic(outerTask);
}
}
}
首先，判斷是否是周期性的任務(wù)，如果不是，則直接執(zhí)行（一次性），否則執(zhí)行，然后設(shè)置下次執(zhí)行的時(shí)間，然后重新調(diào)度，等待下次執(zhí)行。這里有一個(gè)方法需要注意，也就是setNextRunTime，上面我們提到scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay在傳遞參數(shù)時(shí)不一樣，后者將delay值變?yōu)榱素?fù)數(shù)，所以下面的處理正好印證了前文所述。
private void setNextRunTime() {
long p = period;
if (p > 0)
time += p;
else
time = triggerTime(-p);
}
下面來(lái)看一下reExecutePeriodic方法是如何做的，他的目標(biāo)是將任務(wù)再次被調(diào)度執(zhí)行，下面的代碼展示了這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)：
void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture<?> task) {
if (canRunInCurrentRunState(true)) {
super.getQueue().add(task);
if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
task.cancel(false);
else
ensurePrestart();
}
}
可以看到，這個(gè)方法就是將我們的任務(wù)再次放到了workQueue里面，那這個(gè)參數(shù)是什么？在上面的run方法中我們調(diào)用了reExecutePeriodic方法，參數(shù)為outerTask，而這個(gè)變量是什么？看下面的代碼：
/** The actual task to be re-enqueued by reExecutePeriodic */
RunnableScheduledFuture<V> outerTask = this;
這個(gè)變量指向了自己，而this的類型是什么？是ScheduledFutureTask，也就是可以被調(diào)度的task，這樣就實(shí)現(xiàn)了循環(huán)執(zhí)行任務(wù)了。
上面的分析已經(jīng)到了循環(huán)執(zhí)行，但是ScheduledThreadPoolExecutor的功能是周期性執(zhí)行，所以我們接著分析ScheduledThreadPoolExecutor是如何根據(jù)我們的參數(shù)走走停停的。這個(gè)時(shí)候，是應(yīng)該看一下ScheduledThreadPoolExecutor的構(gòu)造函數(shù)了，我們來(lái)看一個(gè)最簡(jiǎn)單的構(gòu)造函數(shù)：
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}
我們知道ScheduledThreadPoolExecutor的父類是ThreadPoolExecutor，所以這里的super其實(shí)是ThreadPoolExecutor的構(gòu)造函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)參數(shù)DelayedWorkQueue，看名字貌似是一個(gè)延遲隊(duì)列的樣子，進(jìn)一步跟蹤代碼，發(fā)現(xiàn)了下面的一行代碼（構(gòu)造函數(shù)中）：
this.workQueue = workQueue;
所以在ScheduledThreadPoolExecutor中，workQueue是一個(gè)DelayedWorkQueue類型的隊(duì)列，我們暫且認(rèn)為DelayedWorkQueue是一種具備延遲功能的隊(duì)列吧，那么，到此我們便可以想明白了，上面的分析我們明白了ScheduledThreadPoolExecutor是如何循環(huán)執(zhí)行任務(wù)的，而這里我們明白了ScheduledThreadPoolExecutor使用DelayedWorkQueue來(lái)達(dá)到延遲的目標(biāo)，所以組合起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)ScheduledThreadPoolExecutor周期性執(zhí)行的目標(biāo)。下面我們來(lái)看一下DelayedWorkQueue是如何做到延遲的吧，上文中提到一個(gè)方法:getTask，這個(gè)方法的作用是從workQueue中取出任務(wù)來(lái)執(zhí)行，而在ScheduledThreadPoolExecutor里面，getTask方法是從DelayedWorkQueue中取任務(wù)的，而取任務(wù)無(wú)非兩個(gè)方法:poll或者take，下面我們對(duì)DelayedWorkQueue的take方法來(lái)分析一下：
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && queue[0] != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}
在for循環(huán)里面，首先從queue中獲取第一個(gè)任務(wù)，然后從任務(wù)中取出延遲時(shí)間，而后使用available變量來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲效果。這里面需要幾個(gè)點(diǎn)需要探索一下：
這個(gè)queue是什么東西？
延遲時(shí)間的來(lái)龍去脈？
available變量的來(lái)龍去脈？
對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，看下面的代碼：
private RunnableScheduledFuture<?>[] queue =
new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];
它是一個(gè)RunnableScheduledFuture類型的數(shù)組，下面是RunnableScheduledFuture類的類關(guān)系圖：
數(shù)組里面保存了我們的RunnableScheduledFuture，對(duì)queue的操作，主要來(lái)看一下增加元素和消費(fèi)元素的操作。首先，假設(shè)使用add方法來(lái)增加RunnableScheduledFuture到queue，調(diào)用的鏈路如下：
public boolean add(Runnable e) {
return offer(e);
}
public boolean offer(Runnable x) {
if (x == null)
throw new NullPointerException();
RunnableScheduledFuture<?> e = (RunnableScheduledFuture<?>)x;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
int i = size;
if (i >= queue.length)
grow();
size = i + 1;
if (i == 0) {
queue[0] = e;
setIndex(e, 0);
} else {
siftUp(i, e);
}
if (queue[0] == e) {
leader = null;
available.signal();
}
} finally {
lock.unlock();
}
return true;
}
解釋一下，add方法直接轉(zhuǎn)到了offer方法，該方法中，首先判斷數(shù)組的容量是否足夠，如果不夠則grow，增長(zhǎng)的策略如下：
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // grow 50%
每次增長(zhǎng)50%，入戲下去。增長(zhǎng)完成后，如果這是第一個(gè)元素，則放在坐標(biāo)為0的位置，否則，使用siftUp操作，下面是該方法的內(nèi)容：
private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
if (key.compareTo(e) >= 0)
break;
queue[k] = e;
setIndex(e, k);
k = parent;
}
queue[k] = key;
setIndex(key, k);
}
這個(gè)數(shù)組實(shí)現(xiàn)了堆這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用對(duì)象比較將最需要被調(diào)度執(zhí)行的RunnableScheduledFuture放到數(shù)組的前面，而這得力于compareTo方法，下面是RunnableScheduledFuture類的compareTo方法的實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)延遲時(shí)間來(lái)做比較。
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero if same object
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
long diff = time - x.time;
if (diff < 0)
return -1;
else if (diff > 0)
return 1;
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
return -1;
else
return 1;
}
long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
}
上面是生產(chǎn)元素，下面來(lái)看一下消費(fèi)數(shù)據(jù)。在上面我們提到的take方法中，使用了一個(gè)方法如下：
private RunnableScheduledFuture<?> finishPoll(RunnableScheduledFuture<?> f) {
int s = --size;
RunnableScheduledFuture<?> x = queue[s];
queue[s] = null;
if (s != 0)
siftDown(0, x);
setIndex(f, -1);
return f;
}
這個(gè)方法中調(diào)用了一個(gè)方法siftDown，這個(gè)方法如下：
private void siftDown(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
int half = size >>> 1;
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1;
RunnableScheduledFuture<?> c = queue[child];
int right = child + 1;
if (right < size && c.compareTo(queue[right]) > 0)
c = queue[child = right];
if (key.compareTo(c) <= 0)
break;
queue[k] = c;
setIndex(c, k);
k = child;
}
queue[k] = key;
setIndex(key, k);
}
對(duì)其的解釋就是：
Replaces first element with last and sifts it down. Call only when holding lock.
總結(jié)一下，當(dāng)我們向queue插入任務(wù)的時(shí)候，會(huì)發(fā)生siftUp方法的執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候會(huì)把任務(wù)盡量往根部移動(dòng)，而當(dāng)我們完成任務(wù)調(diào)度之后，會(huì)發(fā)生siftDown方法的執(zhí)行，與siftUp相反，siftDown方法會(huì)將任務(wù)盡量移動(dòng)到queue的末尾?？傊?，大概的意思就是queue通過(guò)compareTo實(shí)現(xiàn)了類似于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的功能。
下面我們來(lái)看一下第二個(gè)問(wèn)題：延遲時(shí)間的來(lái)龍去脈。在上面的take方法里面，首先獲取了delay，然后再使用available來(lái)做延遲效果，那這個(gè)delay從哪里來(lái)的呢？通過(guò)上面的類圖RunnableScheduledFuture的類圖我們知道，RunnableScheduledFuture類實(shí)現(xiàn)了Delayed接口，而Delayed接口里面的唯一方法是getDelay，我們到RunnableScheduledFuture里面看一下這個(gè)方法的具體實(shí)現(xiàn)：
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
}
time是我們?cè)O(shè)定的下次執(zhí)行的時(shí)間，所以延遲就是(time - now())，沒(méi)毛??！
第三個(gè)問(wèn)題：available變量的來(lái)龍去脈，至于這個(gè)問(wèn)題，我們看下面的代碼：
/**
* Condition signalled when a newer task becomes available at the
* head of the queue or a new thread may need to become leader.
*/
private final Condition available = lock.newCondition();
這是一個(gè)條件變量，take方法里面使用這個(gè)變量來(lái)做延遲效果。Condition可以在多個(gè)線程間做同步協(xié)調(diào)工作，更為具體細(xì)致的關(guān)于Condition的內(nèi)容，可以參考更多的資料來(lái)學(xué)習(xí)，本文對(duì)此知識(shí)點(diǎn)點(diǎn)到為止。
到此為止，我們梳理了ScheduledThreadPoolExecutor是如何實(shí)現(xiàn)周期性調(diào)度的，首先分析了它的循環(huán)性，然后分析了它的延遲效果，本文到此也就結(jié)束了，對(duì)于線程池的學(xué)習(xí)現(xiàn)在才剛剛起步，需要更多更專業(yè)的知識(shí)類幫我理解更為底層的內(nèi)容，當(dāng)然，為了更進(jìn)一步理解線程池的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，首先需要對(duì)線程間通信有足夠的把握，其次是要對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識(shí)，比如隊(duì)列、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、堆等高級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及java語(yǔ)言對(duì)于這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，更為重要的是要結(jié)合實(shí)際情況分析問(wèn)題，在工作和平時(shí)的學(xué)習(xí)中不斷總結(jié)，不斷迭代對(duì)于線程、線程池的認(rèn)知。
作者：一字馬胡
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