Java并发编程初识-线程池

Posted 2021-08-31 敲代码的程序狗

0. 前言

Java 中线程池是运用场景最多的并发框架，合理使用线程池可以带来诸多好处：

• 降低资源消耗：重复利用已创建的线程，降低了线程创建和销毁时造成的资源消耗
• 提高响应速度：任务到达时，不需要等待线程创建即可立即执行
• 提高线程的可管理性：线程的无限创建不仅消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，可以通过线程池统一分配、调优和监控

1. 线程池的实现原理

1.1 线程池处理任务

向线程池提交一个任务时，主要处理流程：

• Step1：线程池判断核心线程池是否已满。如果没满则创建新线程来执行任务，如果满了则进入下个流程
• Step2：线程池判断任务队列是否已满。如果没满则将任务添加进任务队列，如果满了则进入下个流程
• Step3：线程池判断线程池是否已满。如果没满则创建新线程来执行任务，如果满了则交给拒绝策略处理

1.2 execute 方法的执行

ThreadPoolExecutor 执行 execute() 方法时，主要处理流程：

• Step1：如果运行的线程数小于 corePoolSize，则创建新线程来执行任务（需要获取全局锁）
• Step2：如果运行的线程数大于等于 corePoolSize，则将任务添加进 BlockingQueue
• Step3：如果无法将任务添加进 BlockingQueue（队列已满），则创建新线程来执行任务（需要获取全局锁）
• Step4：如果创建新线程将使当前运行的线程数超过 maximumPoolSize ，任务将被拒绝，并调用 RejectedExecutionHandler 的 rejectedExecution() 方法

ThreadPoolExecutor 采用上述步骤处理任务，是为了尽可能避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）

1.3 Worker 工作线程

线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程 Worker ，工作线程执行完初始任务后，会从任务队列循环获取任务执行

工作线程执行任务的两种情况：

• 在 execute() 方法创建线程时，会让该线程执行当前任务
• 线程执行完步骤1的初始任务后，会循环从 BlockingQueue 中获取任务执行

2. 线程池的使用

2.1 线程池的创建

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

• corePoolSize：核心线程数

• maximumPoolSize：最大线程数，如果线程池使用了无界的任务队列，该参数失效

• keepAliveTime：线程存活时间，工作线程空闲（任务队列无任务可获取）时，保持存活的时间

• unit：线程存活时间的单位

• workQueue：任务队列，保存等待执行的任务的阻塞队列

  • ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，按 FIFO 原则排序元素

  • LinkedBlockingQueue：基于链表的无界阻塞队列，按 FIFO 原则排序元素。吞吐量高于 ArrayBlockingQueue 队列，Executors.newFixedThreadPool() 方法使用了该队列

  • SynchronousQueue：不存储元素的队列，每次插入操作必须等到另一个线程移除操作，否则插入操作一直阻塞。吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 队列，Executors.newSingleThreadExecutor() 方法使用了该队列

  • PriorityBlockingQueue：具有优先级的无界阻塞队列

• threadFactory：创建线程的工厂

• handler：拒绝策略，当工作线程和任务队列都满时需要采取一种策略处理提交的任务

  • AbortPolicy：直接抛出异常
  • CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来执行任务
  • DiscardOldestPolicy：丢弃任务队列最近一个任务，然后调用 execute() 方法处理任务
  • DiscardPolicy：不处理，丢弃任务

2.2 向线程池提交任务

• execute() 方法：提交不需要返回值的任务
• submit() 方法：提交需要返回值的任务，可以通过下列方法获取返回值
  • Future.get() 方法：阻塞调用者所在线程直到任务执行完成返回结果
  • Future.get(long timeout, TimeUnit unit) 方法：阻塞调用者所在线程，超过指定时间立即返回，任务可能未执行完成

2.3 关闭线程池

• shutdown() 方法：将线程池的状态设置为 SHUTDOWN ，尝试中断空闲的线程
• shutdownNow() 方法：将线程池的状态设置为 STOP ，尝试停止所有线程（执行任务中、空闲）

2.4 合理的配置线程池

合理配置线程池的依据：

• 任务的性质：
  • CPU 密集型：尽可能少的线程，如 cpuNum + 1 个线程
  • IO 密集型：尽可能多的线程，如 cpuNum * 2 个线程
  • 混合型：如果任务可拆分，拆分成一个 CPU 密集型和一个 IO 密集型任务。如果两个任务执行时间差距小，则分解后执行的吞吐量将高于串行执行。如果两个任务执行时间差距大，则没必要分解
• 任务的优先级：高、中、低
  • 优先级不同的任务可以使用优先级任务队列处理（可能存在优先级小的任务一直无法执行）
• 任务的执行时间：长、中、短
  • 执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池处理，也可以使用优先级任务队列处理，让执行时间短的任务先执行
• 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接
  • 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，等待时间越长 CPU 空闲时间越长，那么可以设置更多的线程以充分利用 CPU 资源

建议使用有界队列，增加系统的稳定性和预警能力，避免因线程阻塞导致任务无限堆积，最终可能出现系统因内存不足而不可用（OOM）

2.5 线程池的监控

如果系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控。线程池监控相关方法：

• getTaskCount() 方法：获取待执行的任务数
• getCompletedTaskCount() 方法：获取已执行完成的任务数
• getLargestPoolSize() 方法：获取曾经创建过的最大线程数
• getPoolSize() 方法：获取工作线程数
• getActiveCount() 方法：获取活跃（执行任务中）的线程数

还可以通过继承线程池来自定义线程池，重写 beforeExecute() 、afterExecute() 、terminated() 方法，也可以在任务执行前后、线程池关闭前执行一些代码来进行监控