java 多线程原理分析

Posted 2020-08-31

一、为什么使用线程池

1、降低资源消耗，减少线程创建和销毁次数，每个工作线程可以重复利用，执行多个任务

2、可根据系统承受能力，调整工作线程的数目，防止消耗过多的内存

二、java 线程池使用

 

ExecutorService	真正的线程池接口。
ScheduledExecutorService	能和Timer/TimerTask类似，解决那些需要任务重复执行的问题。
ThreadPoolExecutor	ExecutorService的默认实现。
ScheduledThreadPoolExecutor	继承ThreadPoolExecutor的ScheduledExecutorService接口实现，周期性任务调度的类实现。

要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在Executors类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。

1. newSingleThreadExecutor

 

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

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

2.newFixedThreadPool

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

创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

3. newCachedThreadPool

return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                              60L, TimeUnit.SECONDS,
                              new SynchronousQueue<Runnable>(),
                              threadFactory);

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，

那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。

4.newScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

经过以上分析，ThreadPoolExecutor是Executors类的底层实现。

在JDK帮助文档中，有如此一段话：

“强烈建议程序员使用较为方便的Executors工厂方法Executors.newCachedThreadPool()（无界线程池，可以进行自动线程回收）、Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小线程池）Executors.newSingleThreadExecutor()（单个后台线程）

它们均为大多数使用场景预定义了设置。”

为了便于我们理解线程池的使用，阿里巴巴java开发手册中提到，直接用new  ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, handler) 创建线程池

创建一个线程池需要输入几个参数：

• 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。

• 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 （先进先出） 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。

• maximumPoolSize（线程池最大大小）：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。

• 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。

• 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。以下是JDK1.5提供的四种策略。

  • 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不能处理的任务。

• 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，可以调大这个时间，提高线程的利用率。

• 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)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

向线程池提交任务

我们可以使用execute提交的任务，但是execute方法没有返回值，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

1 2 3 4 5 6

threadsPool.execute(new Runnable() {             @Override             public void run() {                 // TODO Auto-generated method stub             }         });

　　

我们也可以使用submit 方法来提交任务，它会返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功，通过future的get方法来获取返回值，get方法会阻塞住直到任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回，这时有可能任务没有执行完。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask); try {      Object s = future.get(); } catch (InterruptedException e) {     // 处理中断异常 } catch (ExecutionException e) {     // 处理无法执行任务异常 } finally {     // 关闭线程池     executor.shutdown(); }

　　

线程池的关闭

我们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成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于我们应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，

通常调shutdown来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow。

三、线程池的分析

下面我们讨论一下线程池是怎样处理某一个运行任务的。 
1、首先可以通过线程池提供的submit()方法或者execute()方法，要求线程池执行某个任务。线程池收到这个要求执行的任务后，会有几种处理情况： 
1.1、如果当前线程池中运行的线程数量还没有达到corePoolSize大小时，线程池会创建一个新的线程运行你的任务，无论之前已经创建的线程是否处于空闲状态。 
1.2、如果当前线程池中运行的线程数量已经达到设置的corePoolSize大小，线程池会把你的这个任务加入到等待队列中。直到某一个的线程空闲了，线程池会根据设置的等待队列规则，从队列中取出一个新的任务执行。 
1.3、如果根据队列规则，这个任务无法加入等待队列。这时线程池就会创建一个“非核心线程”直接运行这个任务。注意，如果这种情况下任务执行成功，那么当前线程池中的线程数量一定大于corePoolSize。 
1.4、如果这个任务，无法被“核心线程”直接执行，又无法加入等待队列，又无法创建“非核心线程”直接执行，且你没有为线程池设置RejectedExecutionHandler。这时线程池会抛出RejectedExecutionException异常，即线程池拒绝接受这个任务。（实际上抛出RejectedExecutionException异常的操作，是ThreadPoolExecutor线程池中一个默认的RejectedExecutionHandler实现：AbortPolicy，这在后文会提到） 
2、一旦线程池中某个线程完成了任务的执行，它就会试图到任务等待队列中拿去下一个等待任务（所有的等待任务都实现了BlockingQueue接口，按照接口字面上的理解，这是一个可阻塞的队列接口），它会调用等待队列的poll()方法，并停留在哪里。 
3、当线程池中的线程超过你设置的corePoolSize参数，说明当前线程池中有所谓的“非核心线程”。那么当某个线程处理完任务后，如果等待keepAliveTime时间后仍然没有新的任务分配给它，那么这个线程将会被回收。线程池回收线程时，对所谓的“核心线程”和“非核心线程”是一视同仁的，直到线程池中线程的数量等于你设置的corePoolSize参数时，回收过程才会停止。

四、配置合理的线程

要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来进行分析：

1. 任务的性质：CPU密集型任务，IO密集型任务和混合型任务。
2. 任务的优先级：高，中和低。
3. 任务的执行时间：长，中和短。
4. 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。

CPU密集型任务配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。

IO密集型任务则由于线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。

混合型的任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个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率要高于串行执行的吞吐率，如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。

我们可以通过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得到执行，需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者也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，如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用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，比如几千。

有一次我们组使用的后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断的抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞住，

任务积压在线程池里。

如果当时我们设置成无界队列，线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。

当然我们的系统所有的任务是用的单独的服务器部署的，而我们使用不同规模的线程池跑不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务