线程池ThreadPool

线程池带来的好处

• 第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
• 第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
• 第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

线程池的实现原理

• 当向线程池提交一个任务之后，线程池是如何处理这个任务的呢？

  • 1）线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。

  • 2）线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，，则将新提交的任务存储在 这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。

  • 3）线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务

  线程池的主要处理流程

• ThreadPoolExecutor 执行 execute() 方法时的流程如下：

  • 1）如果当前运行的线程少于 corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

  • 2）如果运行的线程等于或多于 corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

  • 4）如果创建新线程将使当前运行的线程超出 maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution() 方法

    ThreadPoolExecutor执行图

线程池的使用

线程池的创建

• 我们可以通过 ThreadPoolExecutor 来创建一个线程池：

  • new ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                  int maximumPoolSize,
                                  long keepAliveTime,
                                  TimeUnit unit,
                                  BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                                  ThreadFactory threadFactory,
                                  RejectedExecutionHandler handler);
    

• 创建一个线程池时需要输入几个参数，如下：

  • 1）corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的 prestartAllCoreThreads() 方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

  • 2）runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列

    • ArrayBlockingQueue ：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
    • LinkedBlockingQueue ：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按 FIFO 排序元素，吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。静态工厂方法 Executors.newFixedThreadPool() 使用了这个队列
    • SynchronousQueue ：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个 线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue，静态工厂方法 Executors.newCachedThreadPool 使用了这个队列。
    • PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列

  • 3）maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果(无界队列不会满)。

  • 4）ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架 guava 提供的 ThreadFactoryBuilder 可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下:

    • new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

  • 5）RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是 AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在 JDK 1.5 中 Java 线程池框架提供了以下 4 种策略。

    • AbortPolicy：直接抛出异常
    • CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
    • DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
    • DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
    • 当然，也可以根据应用场景需要来实现 RejectedExecutionHandler 接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

  • 6） keepAliveTime（线程活动保持时间）：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率。

  • 7） TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：可选的单位有天（DAYS）、小时（HOURS）、分钟（MINUTES）、毫秒（MILLISECONDS）、微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

向线程池提交任务

• 可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为 execute() 和 submit() 方法。
  • execute() 方法输入的任务是一个 Runnable 类的实例。void execute(Runnable command)
  • submit() 方法输入任务可以是 Runnable 也可以是 Callable 的示例：
    • Future<?> submit(Runnable task);，返回的future 调用 get 方法时，返回的结果 null
    • <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);，返回的future 调用 get 方法时，返回的结果是 result
    • <T> Future<T> submit(Callable<T> task);, 返回的 future 调用get方法时， 是 Callable 实例中 call 方法返回的结果

关闭线程

• 可以通过调用线程池的 shutdown 或 shutdownNow 方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的 interrupt 方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。
• 但是它们存在一定的区别，shutdownNow 首先将线程池的状态设置成 STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，
• 而 shutdown 只是将线程池的状态设置SHUTDOWN 状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程

合理地配置线程池

• 分析的角度：
  • 任务的性质：CPU 密集型任务、IO 密集型任务和混合型任务。
  • 任务的优先级：高、中和低。
• 性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理
  • CPU 密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置 Ncpu+1 个线程的线程池。
  • 由于 IO 密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如 2*Ncpu。
  • 混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个 CPU 密集型任务和一个 IO 密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。
  • 可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 方法获得当前设备的 CPU 个数。
  • 优先级不同的任务可以使用优先级队列 PriorityBlockingQueue 来处理。它可以让优先级
    高的任务先执行。
  • 执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。
  • 依赖数据库连接池的任务，因为线程提交 SQL 后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则 CPU 空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用 CPU。
• 建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点儿，比如几千。

参考 《Java并发编程艺术》、《Java并发编程实战》