线程池

Posted 2023-03-08 我可能是个假开发

Java 语言中创建线程看上去就像创建一个对象一样简单，只需要 new Thread() 就可以了，但实际上创建线程远不是创建一个对象那么简单。
创建对象，仅仅是在 JVM 的堆里分配一块内存而已；而创建一个线程，却需要调用操作系统内核的 API，然后操作系统要为线程分配一系列的资源，这个成本就很高了，所以线程是一个重量级的对象，应该避免频繁创建和销毁。

一、线程池是一种生产者 - 消费者模式

线程池的使用方是生产者，线程池本身是消费者。

//简化的线程池，仅用来说明工作原理
class MyThreadPool
  //利用阻塞队列实现生产者-消费者模式
  BlockingQueue<Runnable> workQueue;
  //保存内部工作线程
  List<WorkerThread> threads = new ArrayList<>();
  // 构造方法
  MyThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue)
    this.workQueue = workQueue;
    // 创建工作线程
    for(int idx=0; idx<poolSize; idx++)
      WorkerThread work = new WorkerThread();
      work.start();
      threads.add(work);
    
  
  // 提交任务
  void execute(Runnable command)
    workQueue.put(command);
  
  // 工作线程负责消费任务，并执行任务
  class WorkerThread extends Thread
    public void run() 
      //循环取任务并执行
      while(true) ①
        Runnable task = workQueue.take();
        task.run();
       
    
    


/** 下面是使用示例 **/
// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池  
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10, workQueue);
// 提交任务  
pool.execute(()->
    System.out.println("hello");
);

在 MyThreadPool 的内部，我们维护了一个阻塞队列 workQueue 和一组工作线程，工作线程的个数由构造函数中的 poolSize 来指定。用户通过调用 execute() 方法来提交 Runnable 任务，execute() 方法的内部实现仅仅是将任务加入到 workQueue 中。MyThreadPool 内部维护的工作线程会消费 workQueue 中的任务并执行任务，相关的代码就是代码①处的 while 循环。

二、使用 Java 中的线程池

Java 提供的线程池相关的工具类中，最核心的是 ThreadPoolExecutor，通过名字你也能看出来，它强调的是 Executor，而不是一般意义上的池化资源。

ThreadPoolExecutor 的构造函数非常复杂，如下面代码所示，这个最完备的构造函数有 7 个参数。

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

• corePoolSize：线程池保有的最小线程数。有些项目很闲，但是也不能把所有线程都撤了，至少要留 corePoolSize 个线程坚守阵地。
• maximumPoolSize：线程池创建的最大线程数。当项目很忙时，就需要加线程，但是也不能无限制地加，最多就加到 maximumPoolSize 个线程。当项目闲下来时，就要回收线程了，最多能回收到剩下 corePoolSize 个线程为止。
• keepAliveTime & unit：最大空闲时间。一个线程如果在一段时间内，都没有执行任务，说明很闲，keepAliveTime 和 unit 就是用来定义这个“一段时间”的参数。也就是说，如果一个线程空闲了keepAliveTime & unit这么久，而且线程池的线程数大于 corePoolSize ，那么这个空闲的线程就要被回收了。
• workQueue：工作队列。
• threadFactory：通过这个参数可以自定义如何创建线程，例如可以给线程指定一个有意义的名字。
• handler：通过这个参数可以自定义任务的拒绝策略。如果线程池中所有的线程都在忙碌，并且工作队列也满了（前提是工作队列是有界队列），那么此时提交任务，线程池就会拒绝接收。拒绝的策略，可以通过 handler 这个参数来指定。

ThreadPoolExecutor 已经提供了以下 4 种拒绝策略：

• CallerRunsPolicy：提交任务的线程自己去执行该任务。
• AbortPolicy：默认的拒绝策略，会 throws RejectedExecutionException。
• DiscardPolicy：直接丢弃任务，没有任何异常抛出。
• DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，把最早进入工作队列的任务丢弃，然后把新任务加入到工作队列。

Java 在 1.6 版本还增加了 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 方法，它可以让所有线程都支持超时，这意味着如果项目很闲，就会将项目组的成员都撤走。

三、使用线程池要注意的事项

考虑到 ThreadPoolExecutor 的构造函数实在是有些复杂，所以 Java 并发包里提供了一个线程池的静态工厂类 Executors，利用 Executors 你可以快速创建线程池。不过目前大厂的编码规范中基本上都不建议使用 Executors 了。

1.不建议使用Executors

不建议使用 Executors 的最重要的原因是：Executors 提供的很多方法默认使用的都是无界的 LinkedBlockingQueue，高负载情境下，无界队列很容易导致 OOM，而 OOM 会导致所有请求都无法处理，这是致命问题。所以强烈建议使用有界队列。

2.建议使用有界队列

使用有界队列，当任务过多时，线程池会触发执行拒绝策略，线程池默认的拒绝策略会 throw RejectedExecutionException 这是个运行时异常，对于运行时异常编译器并不强制 catch 它，所以开发人员很容易忽略。因此默认拒绝策略要慎重使用。如果线程池处理的任务非常重要，建议自定义自己的拒绝策略；并且在实际工作中，自定义的拒绝策略往往和降级策略配合使用。

3.合理的处理异常

使用线程池，还要注意异常处理的问题，例如通过 ThreadPoolExecutor 对象的 execute() 方法提交任务时，如果任务在执行的过程中出现运行时异常，会导致执行任务的线程终止；不过，最致命的是任务虽然异常了，但是你却获取不到任何通知，这会让你误以为任务都执行得很正常。虽然线程池提供了很多用于异常处理的方法，但是最稳妥和简单的方案还是捕获所有异常并按需处理。

try 
  //业务逻辑
 catch (RuntimeException x) 
  //按需处理
 catch (Throwable x) 
  //按需处理
 

四、设置合适的线程数

使用多线程，本质上就是提升程序性能。

1.度量性能

度量性能的指标有很多，但是有两个指标是最核心的：

• 延迟：发出请求到收到响应这个过程的时间，延迟越短，意味着程序执行得越快，性能也就越好
• 吞吐量：单位时间内能处理请求的数量；吞吐量越大，意味着程序能处理的请求越多，性能也就越好。

这两个指标内部有一定的联系（同等条件下，延迟越短，吞吐量越大），但是由于它们隶属不同的维度（一个是时间维度，一个是空间维度），并不能互相转换。

所谓提升性能，从度量的角度，主要是降低延迟，提高吞吐量。

2.提升性能

要想“降低延迟，提高吞吐量”，对应的方法：

• 优化算法：
• 将硬件的性能发挥到极致。

在并发编程领域，提升性能本质上就是提升硬件的利用率，再具体点来说，就是提升 I/O 的利用率和 CPU 的利用率。

3.CPU 和 I/O 设备综合利用率

操作系统已经解决了磁盘和网卡的利用率问题，利用中断机制还能避免 CPU 轮询 I/O 状态，也提升了 CPU 的利用率。但是操作系统解决硬件利用率问题的对象往往是单一的硬件设备，并发程序，往往需要 CPU 和 I/O 设备相互配合工作，也就是说，需要解决 CPU 和 I/O 设备综合利用率的问题。关于这个综合利用率的问题，操作系统虽然没有办法完美解决，但是却给我们提供了方案，那就是：多线程。

只有一个线程，执行 CPU 计算的时候，I/O 设备空闲；执行 I/O 操作的时候，CPU 空闲，所以 CPU 的利用率和 I/O 设备的利用率都是 50%。
两个线程，当线程 A 执行 CPU 计算的时候，线程 B 执行 I/O 操作；当线程 A 执行 I/O 操作的时候，线程 B 执行 CPU 计算，这样 CPU 的利用率和 I/O 设备的利用率就都达到了 100%。

在单核时代，多线程主要就是用来平衡 CPU 和 I/O 设备的。如果程序只有 CPU 计算，而没有 I/O 操作的话，多线程不但不会提升性能，还会使性能变得更差，原因是增加了线程切换的成本。但是在多核时代，这种纯计算型的程序也可以利用多线程来提升性能。因为利用多核可以降低响应时间。

计算 1+2+… … +100 亿的值：

如果在 4 核的 CPU 上利用 4 个线程执行，线程 A 计算[1，25 亿)，线程 B 计算[25 亿，50 亿)，线程 C 计算[50，75 亿)，线程 D 计算[75 亿，100 亿]，之后汇总，那么理论上应该比一个线程计算[1，100 亿]快将近 4 倍，响应时间能够降到 25%。一个线程，对于 4 核的 CPU，CPU 的利用率只有 25%，而 4 个线程，则能够将 CPU 的利用率提高到 100%。

4.创建多少线程合适

I/O 密集型：I/O 操作执行的时间相对于 CPU 计算来说都非常长
CPU 密集型：纯 CPU 计算

对于 CPU 密集型计算，多线程本质上是提升多核 CPU 的利用率，所以对于一个 4 核的 CPU，每个核一个线程，理论上创建 4 个线程就可以了，再多创建线程也只是增加线程切换的成本。所以，对于 CPU 密集型的计算场景，理论上“线程的数量 =CPU 核数”就是最合适的。不过在工程上，线程的数量一般会设置为“CPU 核数 +1”，这样的话，当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时，这个额外的线程可以顶上，从而保证 CPU 的利用率。

对于 I/O 密集型的计算场景，如果 CPU 计算和 I/O 操作的耗时是 1:1，那么 2 个线程是最合适的。如果 CPU 计算和 I/O 操作的耗时是 1:2，那3个线程是最合适的。
如下图所示：CPU 在 A、B、C 三个线程之间切换，对于线程 A，当 CPU 从 B、C 切换回来时，线程 A 正好执行完 I/O 操作。这样 CPU 和 I/O 设备的利用率都达到了 100%。

总结：

• 单核CPU：最佳线程数 =1 +（I/O 耗时 / CPU 耗时）
• 多核CPU：最佳线程数 =CPU 核数 * [ 1 +（I/O 耗时 / CPU 耗时）]