Java线程池初探

Java线程池初探

1. 为什么要用线程池？

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多核CPU时代，为更好利用资源以获取更高的性能，多线程编程早已普通应用。手工创建和销毁线程有以下弊端。

• 线程上下文的切换需要JVM和操作系统的参与，若频繁操作势必造成CPU和内存资源的浪费。
  举个栗子。若为每个请求都创建线程来处理，当有大量恶意请求到来时，内存轻意就被攻占了。此时你是否会向运维同学央求...

• 程序员需要处理线程的异常状态，如线程因为出错导致异常等。否则，不知哪天用户就会微笑着对你说...

• 良好的软件设计不建议手工创建和销毁线程。

幸运的是，线程池可以提供一条龙服务，帮助我们管理线程的创建、执行和销毁。还能根据系统承受能力，合理利用已有线程，减轻负担。一名话概括：集中管理线程，以期达到收益最大化，风险最小化。

2. 线程池如何使用？

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2.1 类结构

• 线程池从JDK1.5版本开始引入，在JDK1.7中线程池框架的核心类是ThreadPoolExecutor，其关键类结构如下图：

类结构

2.2 ThreadPoolExecutor构造方法

• JDK源码中该类的构造方法有4个，但最终都是调用以下构造方法来创建一个线程池。

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

  • corePoolSize：核心线程数量。达到该数量后新提交的线程会进入任务队列中排队。
  • maximumPoolSize：池中允许的最大线程数量。需要与任务队列的类型结合使用。
  • keepAliveTime：池中线程数量超过corePoolSize时，空闲线程会在多长时间内被回收。
  • unit：keepAliveTime的时间单位。
  • workQueue：任务队列。它负责暂时保存未被执行的任务。
  • threadFactory：创建线程的工厂。
  • handler：拒绝策略，即当提交到池中的线程数量超过其最大容量时，如何拒收。

• 看了上面这一本正经的定义，是不是有点懵圈？! 下面用一个春运购票的栗子来说明下。

  • 假定春运期间你想要购买K6124次列车。通常情况下该列车有座位1000个(corePoolSize)。
  • 但春运期间车票异常抢手，初始的1000张票秒光，可怜的你没有抢到。不过12306推出一项“高端服务”：候补。即没买到票的人可以进入一个队列等待，这个队列就是workQueue。你选择候补，随即进入该队列等待。考虑到实际情况队列不应过大，假定其大小设为300。
  • 随着候补的人起来越多，没多久候补队列也满了。12306充分考虑到了大家回家的迫切需求，决定多加2个车厢来提供额外的200张票。这样就能提总计1200张票maximumPoolSize。
  • 没过多久，额外提供的票也全部卖出。此时候补列队仍然是满的，售票系统则不再接受新的候补请求(拒绝策略handler)。
  • 春运结束后票也不太紧张了。若连续5天该车卖出的票数不超过1000张，则当初额外追加的2个车厢就被收回了。这里的5天就相当于keepAliveTime，天就是它的单位unit。

2.3 线程池工厂Executors

如果不想用上面ThreadPoolExecutor看似复杂的构造方法去创建线程池，可以使用JDK提供的线程池工厂Executors。它提供了几种常用线程池的创建方法，主要有以下几种。

• newFixedThreadPool(n): 创建固定长度的线程池，任务队列大小为Integer.MAX_VALUE，即相当于是无界队列。
• newSingleThreadExecutor: 创建只有一个线程的线程池，任务队列大小也为Integer.MAX_VALUE。
• newScheduledThreadPool: 创建一个支持定时及周期性任务执行的线程池。它的任务队列采用数组来存储元素，其初始大小为16，但会动态扩容。其maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE。
• newCachedThreadPool: 创建一个可根据实际情况动态调整线程数量的线程池，任务处理采用不排队直接提交的方式。其maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE，空闲线程在60秒内会被自动回收。

3. 线程池内部的原理如何？

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3.1 工作流程

当主线程向线程池提交新任务时，工作流程概括如下所示：

工作流程

1. 若池中线程数量小于corePoolSize，则创建新的线程来执行此新添加的任务。
2. 若池中线程数量大于等于corePoolSize且workQueue还有空间，则将该任务放入队列。
3. 若池中线程数量大于等于corePoolSize且workQueue已满，但池中线程数量小于maximumPoolSize，则会创建新的线程来执行此新添加的任务。
4. 若池中线程数量达到了maximumPoolSize，则不再授受新任务，并调用拒绝策略来处理。

3.2 任务队列

线程池使用阻塞式的BlockingQueue来缓存暂时未处理的任务，以生产-消费者模式进行任务的存取，目的是在保证安全并发的前提下提高效率。BlockingQueue是一种特殊的集合，其主要类图如下:

任务队列

存取数据操作有3组

• add/remove: 添加未能成功抛出异常。
• offer/poll: 添加或获取未成功时即刻返回；
  此外还提供带超时时间的版本，在指定时间内有限阻塞，若超时仍未成功则返回。
• put/take: 添加或获取未成功时，会无限阻塞，直到条件满足。

几种阻塞式队列

• ArrayBlockingQueue:内部结构基于数组，生产端和消费端共用一个锁，创建时必须指明队列长度。
• LinkedBlockingQueue:内部基于链表，生产端和消费端使用各自独立的锁控制存取。创建时若未指明长度，则默认为Integer.MAX_VALUE。线程池工厂中的newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor就是使用的该队列。
• SynchronousQueue: 无缓冲队列，内部只能容纳一个元素。添加元素时后会阻塞，直到元素被取走后才能继续添加。newCachedThreadPool使用该队列。

3.3 拒绝策略

当线程池不能再授受新任务的提交时，会采用以下几种策略进行处理。

拒绝策略

• AbortPolicy: 丢弃任务并抛出异常，这也是JDK线程池中的默认策略。
• CallerRunsPolicy: 交由调用线程处理该任务。
• DiscardOldestPolicy: 丢弃队列头部的任务，重新提交被拒绝的任务。
• DiscardPolity: 丢弃任务但不抛出异常，相当于什么也没发生。

4. 灵魂拷问？

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• 并发情况下的共享资源访问

多线程应用程序的复杂性会有所提升，尤其是涉及到共享资源的访问时，如若处理不当则系统出BUG的概率将上升。竞态下的共享资源访问需要用到锁机制来确保程序运行的正确性，这又是一个可以探讨的话题。

• 使用线程池工厂的注意事项

JDK中线程池工厂可以帮助我们快速创建线程池，使用虽然很便利，但我们要清楚地知道每种线程池背后的原理。如newFixedThreadPool，其线程池容量是有限的，但其任务队列却是无界的。如果提交的任务过多，可能会造成任务列队快速增长，最终导致内存溢出。

又如newCachedThreadPool，其使用的是无缓冲的任务队列，但其maximumPoolSize却是Integer.MAX_VALUE(相当于是无限的)。如果任务处理的速度远远落后于任务提交的速度，同样可能会因为创建过多线程而导致内存溢出。