浅谈Java线程池

Posted 2021-03-30 罗记Tom

1. 什么是线程池？

很简单，简单看名字就知道是装有线程的池子，我们可以把要执行的多线程交给线程池来处理，和数据库连接池的概念一样，通过维护一定数量的线程池来达到多个线程的复用。

2. 线程池的好处

我们知道不用线程池的话，每个线程都要通过new Thread(xxRunnable).start()的方式来创建并运行一个线程，线程少的话这不会是问题，而真实环境可能会开启多个线程让系统和程序达到最佳效率，当线程数达到一定数量就会耗尽系统的CPU和内存资源，也会造成GC频繁收集和停顿，因为每次创建和销毁一个线程都是要消耗系统资源的，如果为每个任务都创建线程这无疑是一个很大的性能瓶颈。所以，线程池中的线程复用极大节省了系统资源，当线程一段时间不再有任务处理时它也会自动销毁，而不会长驻内存。

3. 线程池核心类

在java.util.concurrent包中我们能找到线程池的定义，其中ThreadPoolExecutor是我们线程池核心类，首先看看线程池类的主要参数有哪些。

/**
 * Creates a new {@code ThreadPoolExecutor} with the given initial
 * parameters and default thread factory.
 */
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
}

参数名	作用
corePoolSize	队列没满时，线程最大并发数
maximumPoolSizes	队列满后线程能够达到的最大并发数
keepAliveTime	空闲线程过多久被回收的时间限制
unit	keepAliveTime 的时间单位
workQueue	阻塞的队列类型
RejectedExecutionHandler	超出 maximumPoolSizes + workQueue 时，任务会交给RejectedExecutionHandler来处理

4. 线程池工作流程

1、如果线程池中的线程小于corePoolSize时就会创建新线程直接执行任务。2、如果线程池中的线程大于corePoolSize时就会暂时把任务存储到工作队列workQueue中等待执行。3、如果工作队列workQueue也满时，当线程数小于最大线程池数maximumPoolSize时就会创建新线程来处理，而线程数大于等于最大线程池数maximumPoolSize时就会执行拒绝策略。

5. 线程池分类

Executors是jdk里面提供的创建线程池的工厂类，它默认提供了4种常用的线程池应用，而不必我们去重复构造。

• newFixedThreadPool固定线程池，核心线程数和最大线程数固定相等，而空闲存活时间为0毫秒，说明此参数也无意义，工作队列为最大为Integer.MAX_VALUE大小的阻塞队列。当执行任务时，如果线程都很忙，就会丢到工作队列等有空闲线程时再执行，队列满就执行默认的拒绝策略。

 /**
  * Creates a thread pool that reuses a fixed number of threads
  * operating off a shared unbounded queue, using the provided
  * ThreadFactory to create new threads when needed. 
  */
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
}

• newCachedThreadPool带缓冲线程池，从构造看核心线程数为0，最大线程数为Integer最大值大小，超过0个的空闲线程在60秒后销毁，SynchronousQueue这是一个直接提交的队列，意味着每个新任务都会有线程来执行，如果线程池有可用线程则执行任务，没有的话就创建一个来执行，线程池中的线程数不确定，一般建议执行速度较快较小的线程，不然这个最大线程池边界过大容易造成内存溢出。

 /**
  * Creates a thread pool that creates new threads as needed, but
  * will reuse previously constructed threads when they are
  * available. These pools will typically improve the performance
  * of programs that execute many short-lived asynchronous tasks.
  */
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
}

• newSingleThreadExecutor单线程线程池，核心线程数和最大线程数均为1，空闲线程存活0毫秒同样无意思，意味着每次只执行一个线程，多余的先存储到工作队列，一个一个执行，保证了线程的顺序执行。

/**
 * Creates an Executor that uses a single worker thread operating
 * off an unbounded queue. (Note however that if this single
 * thread terminates due to a failure during execution prior to
 * shutdown, a new one will take its place if needed to execute
 * subsequent tasks.) Tasks are guaranteed to execute
 * sequentially, and no more than one task will be active at any
 * given time. Unlike the otherwise equivalent
 */
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

• newScheduledThreadPool调度线程池，即按一定的周期执行任务，即定时任务，对ThreadPoolExecutor进行了包装而已。

/**
 * Creates a thread pool that can schedule commands to run after a
 * given delay, or to execute periodically.
 */
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

6. 拒绝策略

• AbortPolicy简单粗暴，直接抛出拒绝异常，这也是默认的拒绝策略。

• CallerRunsPolicy如果线程池未关闭，则会在调用者线程中直接执行新任务，这会导致主线程提交线程性能变慢。

• DiscardPolicy从方法看没做任务操作，即表示不处理新任务，即丢弃。

• DiscardOldestPolicy抛弃最老的任务，就是从队列取出最老的任务然后放入新的任务进行执行。

7. 如何提交线程

可以先随便定义一个固定大小的线程池

ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);

提交一个线程

es.submit(xxRunnble);
es.execute(xxRunnble);

submit和execute分别有什么区别呢？

1. execute没有返回值，如果不需要知道线程的结果就使用execute方法，性能会好很多。

2. submit返回一个Future对象，如果想知道线程结果就使用submit提交，而且它能在主线程中通过Future的get方法捕获线程中的异常。

execute()到底方法如何处理

1. 获取当前线程池的状态。

2. 当前线程数量小于coreSize时创建一个新的线程运行。

3. 如果当前线程处于运行状态，并且写入阻塞队列成功。

4. 双重检查，再次获取线程状态；如果线程状态变了（非运行状态）就需要从阻塞队列移除任务，并尝试判断线程是否全部执行完毕，同时执行拒绝策略。

5. 如果当前线程池为空就新创建一个线程并执行。

6. 如果在第三步的判断为非运行状态，尝试新建线程，如果失败则执行拒绝策略。

8. 如何关闭线程池

• shutdownNow()：立即关闭线程池(暴力)，正在执行中的及队列中的任务会被中断，同时该方法会返回被中断的队列中的任务列表

• shutdown()：平滑关闭线程池，正在执行中的及队列中的任务能执行完成，后续进来的任务会被执行拒绝策略

• isTerminated()：当正在执行的任务及对列中的任务全部都执行（清空）完就会返回true

9.手动创建线程池(推荐)

上面说的使用Executors工具类创建的线程池存有隐患，那如何使用才能避免这个隐患呢？对症下药，建立自己的线程工厂类，灵活设置关键参数：

//这里默认拒绝策略为AbortPolicy
private static ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(10,10,60L, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue(10));

使用guava包中的ThreadFactoryBuilder工厂类来构造线程池:

private static ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().build();

private static ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 60L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10), threadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

通过guava的ThreadFactory工厂类还可以指定线程组名称，这对于后期定位错误时也是很有帮助的

ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("thread-pool-d%").build();

10.springboot中使用线程池

springboot可以说是非常流行了，下面说说如何在springboot中优雅的使用线程池

@Configuration
public class ThreadPoolConfig {
    @Bean(value = "threadPoolInstance")
    public ExecutorService createThreadPoolInstance() {
        //通过guava类库的ThreadFactoryBuilder来实现线程工厂类并设置线程名称
        ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("thread-pool-%d").build();
        ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 16, 60L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(100), threadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        return threadPool;
    }
}

//通过name=threadPoolInstance引用线程池实例
@Resource(name = "threadPoolInstance")
private ExecutorService executorService;

@Override
public void spikeConsumer() {
    //TODO
    executorService.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //TODO
        }});
}

11.其他相关

在ThreadPoolExecutor类中有两个比较重要的方法引起了我们的注意：beforeExecute和afterExecute

 protected void beforeExecute(Thread var1, Runnable var2) { }

 protected void afterExecute(Runnable var1, Throwable var2) {}

这两个方法是protected修饰的，很显然是留给开发人员去重写方法体实现自己的业务逻辑，非常适合做钩子函数，在任务run方法的前后增加业务逻辑，比如添加日志、统计等。这个和我们springmvc中拦截器的preHandle和afterCompletion方法很类似，都是对方法进行环绕，类似于spring的AOP.

• Callable和Runnable

Runnable和Callable都可以理解为任务，里面封装这任务的具体逻辑，用于提交给线程池执行，区别在于Runnable任务执行没有返回值，且Runnable任务逻辑中不能通过throws抛出cheched异常(但是可以try catch)，而Callable可以获取到任务的执行结果返回值且抛出checked异常。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

• Future和FutureTask

Future接口用来表示执行异步任务的结果存储器，当一个任务的执行时间过长就可以采用这种方式：把任务提交给子线程去处理，主线程不用同步等待，当向线程池提交了一个Callable或Runnable任务时就会返回Future，用Future可以获取任务执行的返回结果。Future的主要方法包括：

• get()方法：返回任务的执行结果，若任务还未执行完，则会一直阻塞直到完成为止，如果执行过程中发生异常，则抛出异常，但是主线程是感知不到并且不受影响的，除非调用get()方法进行获取结果则会抛出ExecutionException异常；

• get(long timeout, TimeUnit unit)：在指定时间内返回任务的执行结果，超时未返回会抛出TimeoutException，这个时候需要显式的取消任务；

• cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消任务，boolean类型入参表示如果任务正在运行中是否强制中断；

• isDone()：判断任务是否执行完毕，执行完毕不代表任务一定成功执行，比如任务执行失但也执行完毕、任务被中断了也执行完毕都会返回true，它仅仅表示一种状态说后面任务不会再执行了；

• isCancelled()：判断任务是否被取消；

下面来实际演示Future和FutureTask的用法：

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
    Future<Integer> future = executorService.submit(new Task());
    Integer integer = future.get();
    System.out.println(integer);
    executorService.shutdown();
}

static class Task implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程开始计算");
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException{
     ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
     FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Task());
     executorService.submit(futureTask);
     Integer integer = futureTask.get();
     System.out.println(integer);
     executorService.shutdown();
 }

static class Task implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程开始计算");
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}