线程基础：线程池——基本使用（上）

Posted 2020-06-07

1、概述

从本文开始，我将用两篇文章的篇幅，为各位读者呈现JAVA中原生的线程池技术。第一篇文章，我将讲解JAVA原生线程池的基本使用，并由此延伸出JAVA中和线程管理相关的类结构体系，然后我们详细描述JAVA原生线程池的结构和工作方式；第二篇文章，我们将继续深入，讲解JAVA原生线程池的高级特性，包括Thread工厂、队列、拒绝原则、钩子和相关工具类。

如果您是JAVA语言的初学者，请从本篇文章看起；如果您对线程池技术已有一定的了解，那么可以只看下一篇文章；如果您是高手，请绕行；如果您对我的观点有任何意见和建议，请留言，谢谢。^-^

2、为什么要使用线程池

前文我们已经讲到，线程是一个操作系统概念。操作系统负责这个线程的创建、挂起、运行、阻塞和终结操作。而操作系统创建线程、切换线程状态、终结线程都要进行CPU调度——这是一个耗费时间和系统资源的事情（《操作系统知识回顾—进程线程模型》）

另一方面，目前大多数生产环境我们所面临问题的技术背景一般是：处理某一次请求的时间是非常短暂的，但是请求数量是巨大的。这种技术背景下，如果我们为每一个请求都单独创建一个线程，那么物理机的所有资源基本上都被操作系统创建线程、切换线程状态、销毁线程这些操作所占用，用于业务请求处理的资源反而减少了。所以最理想的处理方式是，将处理请求的线程数量控制在一个范围，既保证后续的请求不会等待太长时间，又保证物理机将足够的资源用于请求处理本身。

另外，一些操作系统是有最大线程数量限制的。当运行的线程数量逼近这个值的时候，操作系统会变得不稳定。这也是我们要限制线程数量的原因。

3、线程池的基本使用方式

JAVA语言为我们提供了两种基础线程池的选择：ScheduledThreadPoolExecutor和ThreadPoolExecutor。它们都实现了ExecutorService接口（注意，ExecutorService接口本身和“线程池”并没有直接关系，它的定义更接近“执行器”，而“使用线程管理的方式进行实现”只是其中的一种实现方式）。这篇文章中，我们主要围绕ThreadPoolExecutor类进行讲解。

3-1、简单使用

首先我们来看看ThreadPoolExecutor类的最简单使用方式：

package test.thread.pool;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
import org.apache.log4j.BasicConfigurator;

public class PoolThreadSimple {

    static {
        BasicConfigurator.configure();
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {

        /*
         * corePoolSize：核心大小，线程池初始化的时候，就会有这么大
         * maximumPoolSize：线程池最大线程数
         * keepAliveTime：如果当前线程池中线程数大于corePoolSize。
         * 多余的线程，在等待keepAliveTime时间后如果还没有新的线程任务指派给它，它就会被回收
         * 
         * unit：等待时间keepAliveTime的单位
         * 
         * workQueue：等待队列。这个对象的设置是本文将重点介绍的内容
         * */
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 1, TimeUnit.MINUTES, new SynchronousQueue<Runnable>());
        for(int index = 0 ; index < 10 ; index ++) {
            poolExecutor.submit(new PoolThreadSimple.TestRunnable(index));
        }

        // 没有特殊含义，只是为了保证main线程不会退出
        synchronized (poolExecutor) {
            poolExecutor.wait();
        }
    }

    /**
     * 这个就是测试用的线程
     * @author yinwenjie
     */
    private static class TestRunnable implements Runnable {

        /**
         * 日志
         */
        private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestRunnable.class);

        /**
         * 记录任务的唯一编号，这样在日志中好做识别
         */
        private Integer index;

        public TestRunnable(int index) {
            this.index = index;
        }

        /**
         * @return the index
         */
        public Integer getIndex() {
            return index;
        }

        @Override
        public void run() {
            /*
             * 线程中，就只做一件事情：
             * 等待60秒钟的事件，以便模拟业务操作过程
             * */
            Thread currentThread  = Thread.currentThread();
            TestRunnable.LOGGER.info("线程：" + currentThread.getId() + " 中的任务（" + this.getIndex() + "）开始执行===");
            synchronized (currentThread) {
                try {
                    currentThread.wait(60000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    TestRunnable.LOGGER.error(e.getMessage(), e);
                }
            }

            TestRunnable.LOGGER.info("线程：" + currentThread.getId() + " 中的任务（" + this.getIndex() + "）执行完成");
        }

    }
}

随后的文章中我们将对线程池中的corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、timeUnit、workQueue、threadFactory、handler参数和一些常用/不常用的设置项进行逐一讲解。

3-2、ThreadPoolExecutor逻辑结构和工作方式

在上面的代码中，我们创建线程池的时候使用了ThreadPoolExecutor中最简单的一个构造函数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue)

构造函数中需要传入的参数包括corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、timeUnit和workQueue。要明确理解这些参数（和后续将要介绍的参数）的含义，就首先要搞清楚ThreadPoolExecutor线程池的逻辑结构。

一定要注意一个概念，即存在于线程池中容器的一定是Thread对象，而不是您要求运行的任务（所以叫线程池而不叫任务池也不叫对象池，更不叫游泳池）；您要求运行的任务将被线程池分配给某一个空闲的Thread运行。

从上图中，我们可以看到构成线程池的几个重要元素：

• 等待队列：顾名思义，就是您调用线程池对象的submit()方法或者execute()方法，要求线程池运行的任务（这些任务必须实现Runnable接口或者Callable接口）。但是出于某些原因线程池并没有马上运行这些任务，而是送入一个队列等待执行（这些原因后文马上讲解）。

• 核心线程：线程池主要用于执行任务的是“核心线程”，“核心线程”的数量是您创建线程时所设置的corePoolSize参数决定的。如果不进行特别的设定，线程池中始终会保持corePoolSize数量的线程数（不包括创建阶段）。

• 非核心线程：一旦任务数量过多（由等待队列的特性决定），线程池将创建“非核心线程”临时帮助运行任务。您设置的大于corePoolSize参数小于maximumPoolSize参数的部分，就是线程池可以临时创建的“非核心线程”的最大数量。这种情况下如果某个线程没有运行任何任务，在等待keepAliveTime时间后，这个线程将会被销毁，直到线程池的线程数量重新达到corePoolSize。

• 要重点理解上一条描述中黑体字部分的内容。也就是说，并不是所谓的“非核心线程”才会被回收；而是谁的空闲时间达到keepAliveTime这个阀值，就会被回收。直到线程池中线程数量等于corePoolSize为止。

• maximumPoolSize参数也是当前线程池允许创建的最大线程数量。那么如果您设置的corePoolSize参数和您设置的maximumPoolSize参数一致时，线程池在任何情况下都不会回收空闲线程。keepAliveTime和timeUnit也就失去了意义。

• keepAliveTime参数和timeUnit参数也是配合使用的。keepAliveTime参数指明等待时间的量化值，timeUnit指明量化值单位。例如keepAliveTime=1，timeUnit为TimeUnit.MINUTES，代表空闲线程的回收阀值为1分钟。

说完了线程池的逻辑结构，下面我们讨论一下线程池是怎样处理某一个运行任务的。下图描述了一个完整的任务处理过程：

1、首先您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您的任务，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，线程池会把您的这个任务加入到等待队列中。直到某一个的线程空闲了，线程池会根据您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，且您没有为线程池设置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您设置的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您设置的corePoolSize参数时，回收过程才会停止。

3-3、不常用的设置

在ThreadPoolExecutor线程池中，有一些不常用的设置。我建议如果您在应用场景中没有特殊的要求，就不需要使用这些设置：

3-3-1、 allowCoreThreadTimeOut：

前文我们讨论到，线程池回收线程只会发生在当前线程池中线程数量大于corePoolSize参数的时候；当线程池中线程数量小于等于corePoolSize参数的时候，回收过程就会停止。

allowCoreThreadTimeOut设置项可以要求线程池：将包括“核心线程”在内的，没有任务分配的任何线程，在等待keepAliveTime时间后全部进行回收：

ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 1, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1));

poolExecutor.allowCoreThreadTimeOut(true);

以下是设置前的效果：

以下是设置后的效果：

3-3-2 prestartAllCoreThreads

前文我们还讨论到，当线程池中的线程还没有达到您设置的corePoolSize参数值的时候，如果有新的任务到来，线程池将创建新的线程运行这个任务，无论之前已经创建的线程是否处于空闲状态。这个描述可以用下面的示意图表示出来：

prestartAllCoreThreads设置项，可以在线程池创建，但还没有接收到任何任务的情况下，先行创建符合corePoolSize参数值的线程数：

ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 1, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1));

poolExecutor.prestartAllCoreThreads();

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（后文预告：线程基础：线程池（6）——高级特性（下））

ThreadPoolExecutor类结构体系

使用ThreadFactory

线程池任务队列（重点讲解）

拒绝任务

扩展ThreadPoolExecutor线程池

    Hook methods 

    Queue maintenance 

工具类和后记

    Executors

    Apache中的扩展

    与spring结合