线程复用：线程池

Posted 2020-09-18 N!CE波

一、核心线程池内部实现
为了能够更好地控制多线程，JDK提供了一套Executor框架，帮助开发人员有效地进行线程控制，其本质就是一个线程池。它的核心成员如图

 

以上成员均在java.util.concurrent包中，是JDK并发包的核心类。其中ThreadPoolExecutor表示一个线程池。Executors类则扮演着线程池工厂的角色，通过Executors可以取得一个拥有特定功能的线程池。

Executor框架提供了各种类型的线程池，主要有以下工厂方法：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
public static ExecutorService newCachedThreadPool()
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

•newFixedThreadPool()方法：该方法返回一个固定线程数量的线程池。该线程池中的线程数量始终不变。当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即执行。若没有，则新的任务会被暂存在一个任务队列中，待有线程空闲时，便处理在任务队列中的任务。 •newSingleThreadExecutor()方法：该方法返回一个只有一个线程的线程池。若多余一个任务被提交到该线程池，任务会被保存在一个任务队列中，待线程空闲，按先入先出的顺序执行队列中的任务。
•newCachedThreadPool()方法：该方法返回一个可根据实际情况调整线程数量的线程池。线程池的线程数量不确定，但若有空闲线
程可以复用，则会优先使用可复用的线程。若所有线程均在工作，又有新的任务提交，则会创建新的线程处理任务。所有线程在当前任务执行完毕后，将返回线程池进行复用。
•newSingleThreadScheduledExecutor()方法：该方法返回一个ScheduledExecutorSer-vice对象，线程池大小为1。ScheduledEx-ecutorService接口在ExecutorService接口之上扩展了在给定时间执行某任务的功能，如在某个固定的延时之后执行，或者周期性执行某个任务。
•newScheduledThreadPool()方法：该方法也返回一个ScheduledExecutorService对象，但该线程池可以指定线程数量。

另外一个值得注意的方法是newSched-uledThreadPool()。它返回一个ScheduledExecu-torService对象，可以根据时间需要对线程进行调度。它会在指定的时间，对任务进行调度。
它的一些主要方法如下：
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay, TimeUnit unit);
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit);
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay, long delay,TimeUnit unit);

 

对于FixedRate方式来说，任务调度的频率是一定的。它是以上一个任务开始执行时间为起点，之后的period时间，调度下一次任务。而FixDelay则是在上一个任务结束后，再经过delay时间进行任务调度。
对于FixedRate 周期如果太短，那么任务就会在上一个任务结束后，立即被调用
另外一个值得注意的问题是，调度程序实际上并不保证任务会无限期的持续调用。如果任务本身抛出了异常，那么后续的所有执行都会被中断，因此，如果你想让你的任务持续稳定的执行，那么做好异常处理就非常重要，否则，你很有可能观察到你的调度器无疾而终。

 

ThreadPoolExecutor最重要的构造函数：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler
函数的参数含义如下。
•corePoolSize：指定了线程池中的线程数量。
•maximumPoolSize：指定了线程池中的最大线程数量。
•keepAliveTime：当线程池线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程的存活时间。即，超过corePoolSize的空闲线程，在多长时间内，会被销毁。
•unit：keepAliveTime的单位。
•workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。
•threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可。
•handler：拒绝策略。当任务太多来不及处理，如何拒绝任务。

参数workQueue指被提交但未执行的任务队列，它是一个BlockingQueue接口的对象，仅用于存放Runnable对象。根据队列功能分类，在ThreadPoolExecutor的构造函数中可使用以下几种BlockingQueue。
1.直接提交的队列：该功能由Syn-chronousQueue对象提供。Syn-chronousQueue是一个特殊的Block-ingQueue。SynchronousQueue没有容量，每一个插入操作都要等待一个相应的删除操作，反之，每一个删除操作都要等待对应的插入操作。如果使用SynchronousQueue，提交的任务不会被真实的保存，而总是将新任务提交给线程执行，如果没有空闲的进程，则尝试创建新的进程，如果进程数量已经达到最大值，则执行拒绝策略。因此，使用Syn-chronousQueue队列，通常要设置很大的maximumPoolSize值，否则很容易执行拒绝策略。
2.有界的任务队列：有界的任务队列可以使用ArrayBlockingQueue实现。ArrayBlock-ingQueue的构造函数必须带一个容量参数，表示该队列的最大容量，如下所示。public ArrayBlockingQueue(int capacity)当使用有界的任务队列时，若有新的任务需要执行，如果线程池的实际线程数小于core-PoolSize，则会优先创建新的线程，若大于corePoolSize，则会将新任务加入等待队列。若等待队列已满，无法加入，则在总线程数不大于maximumPoolSize的前提下，创建新的进程执行任务。若大于maximumPoolSize，则执行拒绝策略。可见，有界队列仅当在任务队列装满时，才可能将线程数提升到core-PoolSize以上，换言之，除非系统非常繁忙，否则确保核心线程数维持在在corePoolSize。
3.无界的任务队列：无界任务队列可以通过LinkedBlockingQueue类实现。与有界队列相比，除非系统资源耗尽，否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况。当有新的任务到来，系统的线程数小于corePoolSize时，线程池会生成新的线程执行任务，但当系统的线程数达到corePoolSize后，就不会继续增加。若后续仍有新的任务加入，而又没有空闲的线程资源，则任务直接进入队列等待。若任务创建和处理的速度差异很大，无界队列会保持快速增长，直到耗尽系统内存。
4.优先任务队列：优先任务队列是带有执行优先级的队列。它通过PriorityBlockingQueue实现，可以控制任务的执行先后顺序。它是一个特殊的无界队列。无论是有界队列Array-BlockingQueue，还是未指定大小的无界队列LinkedBlockingQueue都是按照先进先出算法处理任务的。而PriorityBlockingQueue则可以根据任务自身的优先级顺序先后执行，在确保系统性能的同时，也能有很好的质量保证（总是确保高优先级的任务先执

ThreadPoolExecutor线程池的核心调度代码，这段代码也充分体现了上述线程池的工作逻辑：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn\'t, by returning false.
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}

代码第5行的workerCountOf()函数取得了当前线程池的线程总数。当线程总数小于corePool-Size核心线程数时，会将任务通过addWorker()方法直接调度执行。否则，则在第10行代码处（workQueue.offer()）进入等待队列。如果进入等待队列失败（比如有界队列到达了上限，或者使用了SynchronousQueue），则会执行第17行，将任务直接提交给线程池。如果当前线程数已经达到maximumPoolSize，则提交失败，就执行第18行的拒绝策略。

 

 

二、超负荷下的拒绝策略

 

JDK内置的拒绝策略如下:
•AbortPolicy策略：该策略会直接抛出异常，阻止系统正常工作。
•CallerRunsPolicy策略：只要线程池未关闭，该策略直接在调用者线程中，运行当前被丢弃的任务。显然这样做不会真的丢弃任务，但是，任务提交线程的性能极有可能会急剧下降。
•DiscardOledestPolicy策略：该策略将丢弃最老的一个请求，也就是即将被执行的一个任务，并尝试再次提交当前任务。 •DiscardPolicy策略：该策略默默地丢弃无法处理的任务，不予任何处理。如果允许任务丢失，我觉得这可能是最好的一种方案了吧！以 上内置的策略均实现了RejectedExecution-Handler接口，若以上策略仍无法满足实际应用需要，完全可以自己扩展RejectedExecutionHandler接口。

三、ThreadFactory
ThreadFactory是一个接口，它只有一个方法，用来创建线程：Thread newThread(Runnable r);当线程池需要新建线程时，就会调用这个方法。
自定义线程池可以帮助我们做不少事。比如，我们可以跟踪线程池究竟在何时创建了多少线程，也可以自定义线程的名称、组以及优先级等信息，甚至可以任性地将所有的线程设置为守护线程。

四、ThreadPoolExecutor线程池扩展
ThreadPoolExecutor也是一个可以扩展的线程池。它提供了beforeExecute()、af-terExecute()和terminated()三个接口对线程池进行控制。
beforeExecute()、afterExecute()和ter-miniated()三个方法。这三个方法分别用于记录一个任务的开始、结束和整个线程池的退出。
以beforeExecute()、afterExecute()为例，
在ThreadPoolExecutor.Worker.runTask()方法内部提供了这样的实现：
boolean ran = false;
beforeExecute(thread, task);//运行前
try {
task.run(); //运行任务
ran = true;
afterExecute(task, null); //运行结束后
++completedTasks;
} catch (RuntimeException ex) {
if (!ran)
afterExecute(task, ex);//运行结束
throw ex;}

五、优化线程池线程数量
在《Java Concurrency in Practice》一书中给出了一个估算线程池大小的经验公式：
Ncpu=CPU的数量
Ucpu=目标CPU的使用率，0≤Ucpu≤1
W/C=等待时间与计算时间的比率为保持处理器达到期望的使用率，最优的池的大小等于：
Nthreads=Ncpu*Ucpu*(1+W/C)
在Java中，可以通过：Runtime.getRuntime().availableProcessors()取得可用的CPU数量。

 

六、分而治之：Fork/Join框架
在实际使用中，如果毫无顾忌地使用fork()开启线程进行处理，那么很有可能导致系统开启过多的线程而严重影响性能。所以，在JDK中，给出了一个ForkJoinPool线程池，对于fork()方法并不急着开启线程，而是提交给ForkJoinPool线程池进行处理，以节省系统资源。fork()用来开启线程，join()用来等待。
下ForkJoinPool的一个重要的接口：
public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task)
你可以向ForkJoinPool线程池提交一个ForkJoinTask任务。所谓ForkJoinTask任务就是支持fork()分解以及join()等待的任务。ForkJoinTask有两个重要的子类，RecursiveAction和Recur-siveTask。它们分别表示没有返回值的任务和可以携带返回值的任务。

下面我们简单地展示Fork/Join框架的使用，这里用来计算数列求和。
01 public class CountTask extends RecursiveTask<Long>{
02 private static final int THRESHOLD = 10000;
03 private long start;
04 private long end;
05
06 public CountTask(long start,long end){
07 this.start=start;
08 this.end=end;
09 }
10
11 public Long compute(){
12 long sum=0;
13 boolean canCompute = (end-start)<THRESHOLD;
14 if(canCompute){
15 for(long i=start;i<=end;i++){
16 sum +=i;
17 }
18 }else{
19 //分成100个小任务
20 long step=(start+end)/100;
21 ArrayList<CountTask> subTasks=new ArrayList<CountTask>();
22 long pos=start;
23 for(int i=0;i<100;i++){
24 long lastOne=pos+step;
25 if(lastOne>end)lastOne=end;
26 CountTask subTask=new CountTask(pos,lastOne);
27 pos+=step+1;
28 subTasks.add(subTask);
29 subTask.fork();
30 }
31 for(CountTask t:subTasks){
32 sum+=t.join();
33 }
34 }
35 return sum;
36 }
37
38 public static void main(String[]args){
39 ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
40 CountTask task = new CountTask(0,200000L);
41 ForkJoinTask<Long> result = forkJoinPool.submit(task);
42 try{
43 long res = result.get();
44 System.out.println("sum="+res);
45 }catch(InterruptedException e){
46 e.printStackTrace();
47 }catch(ExecutionException e){
48 e.printStackTrace();
49 }
50 }
51 }

由于计算数列的和必然是需要函数返回值的，因此选择RecursiveTask作为任务的模型。上述代码第39行，建立ForkJoinPool线程池。在第40行，构造一个计算1到200000求和的任务。在第41行将任务提交给线程池，线程池会返回一个携带结果的任务，通过get()方法可以得到最终结果（第43行）。如果在执行get()方法时，任务没有结束，那么主线程就会在get()方法时等待。