第九章 Java中线程池

Posted 2021-01-10 胡子就不刮

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需求异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。

1. 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
2. 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
3. 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

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呢？如图

从图中可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下

（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。如果工作队里没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里，满了则交给饱和策略来处理这个任务

（3）线程池判断线程池的线程数量是否已满。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务任务，反之交给饱和策略来处理这个任务

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图如下

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

（1）如果当前运行线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（执行这一步需要获取全局锁）

（2）如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue

（3）如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（执行这一步需要获取全局锁）

（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采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize）。几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁

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(corePoolSize, maximumPoolSize, KeepAliveTime, timeUnit, runnableTaskQueue, threadFactory, rejectedExecutionHandler)；

 

创建一个线程池需要输入几个参数如下：

（1）corePoolSize（核心池大小）：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等于线程池的核心线程数就不在创建。调用prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程

（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原则对元素进行排序
• LinkedBlockingQueue：是一个基于链表结构的阻塞队列，也是按照FIFO排序元素。吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue
• SynchronousBlocking：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
• 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，则线程池会在创建新的线程执行任务。如果是无界的任务队列该参数没有效果

（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

（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，那么必须采取一个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.5中提供以下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）、微妙（MICROSECONDS，千分之一毫秒）、纳秒（NANOSECONDS，千分之一微妙）

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方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程执行成功

submit方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程知道任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完

关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown和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。但是他们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所以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shutdow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中的任意一个，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。至于应该调用哪一种方法，应该由提交到线程池的任务特性决定。通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定执行完，则可以调用shutdownNow方法。

合理地配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析

• 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 低
• 任务的执行时间：长 中 短
• 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置可能小的线程。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。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。

注意：如果一直有优先级搞的任务提交到队里里，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，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

线程池的监控

可以通过线程池提供的参数进行监控：

• taskCount：线程池需要执行的任务数量
• completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount
• largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量
• getPoolSize：线程池的线程数量
• getActiveCount：获取活动的线程数

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。