Java线程池理解

Posted 2020-07-10 zhongrui_fzr

线程池原理理解

作用：

• 线程池的作用就是限制系统中执行线程的数量。
• 根据系统的环境情况，可以自动或手动设置线程数量，达到运行的最佳效果；
• 少了浪费系统资源，多了造成系统拥挤效率不高。
• 用线程池控制线程数量，其他线程排队等候。一个任务执行完毕，再从队列中取最前面的任务开始执行。
• 若队列中没有等待进程，线程池的这一资源处于等待。
• 当一个新任务需要运行时，如果线程池中有等待的工作线程，就可以开始运行了；否则进入等待队列。

为什么要用线程池：

1.减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
2.可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴（每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机）。

java里线程池的顶级接口是Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。
真正的线程池接口是ExecutorService。

比较重要的几个类：

ExecutorService：真正的线程池接口。
ScheduledExecutorService:和Timer／TimerTask类似，解决那些需要重复执行的任务
ThreadPoolExecutor:ExecutorService的默认实现
ScheduledThreadPoolExecutor:继承ThreadPoolExecutor的ScheduledExecutorService接口实现，周期性任务调度的类实现。

线程池配置比较复杂，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在Executors类里提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。

1. newSingleThreadExecutor
   创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。
   如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。
   此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。
2. newFixedThreadPool
   创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。
   线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。
3. newCachedThreadPool
   创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，
   当任务数增加时，此线程池又可以添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者JVM）能够创建的最大线程数。
4. newScheduledThreadPool
   创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

public class MyThread extends Thread{
  @Override
  public void run(){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行。。");
  }
}
public class TestSingleThreadExecutor｛
  public static void main(String[] arags){
    //创建一个可重用固定线程数的线程池
    ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
    //ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
    Thread t1 = new MyThread();
    Thread t2 = new MyThread();
    Thread t3 = new MyThread();
    Thread t4 = new MyThread();
    Thread t5 = new MyThread();
    //将线程放入池中进行执行
    pool.execute(t1);
    pool.execute(t2);
    pool.execute(t3);
    pool.execute(t4);
    pool.execute(t5);
    //关闭线程池
    pool.shutdown();
  }
}

newScheduledThreadPool  
public class TestScheduledThreadPoolExecutor｛
  public static void main(String[] args){
    ScheduledThreadPoolExecutor exec = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
    exec.scheduleAtFixRate(new Runnable(){//每隔一段时间就触发异常
        @Override
        public void run(){
          System.out.println("===============");
        }
    }, 1000, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    exec.scheduleAtFixedRate(new Runnable(){
        @Override
        public void run(){
            System.out.println(System.nanoTime());
        }
    }, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
  }
} 

ThreadPoolExecutor详解

ThreadPoolExecutor的完整构造方法的签名是：ThreadPoolExecutor（int corePoolSize，
int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler）.

• corePoolSize—池中所保存的线程数，包括空闲线程。
• maximumPoolSize—池中允许的最大线程数。
• keepAliveTime—当线程数大于核心时，此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间。
• unit—keepAliveTime参数的时间单位。
• workQueue—执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由execute方法提交的Runnable任务。
• threadFactory—执行程序创建新线程时使用的工厂。
• handler—由于超出线程范围和队列容量而使执行被阻塞时所使用的处理程序

ThreadPoolExecutor是Executors类的底层实现。

JDK文档：“强烈建议程序员使用较为方便的Executors工厂方法Executors.newCachedThreadPool()（无界线程池，可以进行自动线程回收）、
Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小线程池）Executors.newSingleThreadExecutor()（单个后台线程），它们均为大多数使用场景预定义了设置。”

源码：
ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads):固定大小线程池。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads){
  return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

corePoolSize和maximumPoolSize的大小是一样的（实际上，如果使用无界queue的话，maximumPoolSize参数是没有意义的）
keepAliveTime和unit的值：说明该实现不想keep alive
最后的BlockingQueue选择了LinkedBlockingQueue，该queue有一个特点，它是无界的。

ExecutorService newSingleThreadExecutor():单线程

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(){
  return new FinalizableDelegatedExecutorService(
      new ThreadPoolExecutor(1,1
                            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                            new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

ExecutorService newCachedThreadPool():无界线程池，可以进行自动线程回收

public static ExecutorService newCachedThreadPool(){
  return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                60L, TimeUnit.SECONDS,
                                new SynchronousQueue<Runnable>());
}

无界线程池的maximumPoolSize为bigInteger。BlockingQueue使用的是SynchronousQueue。
该Queue中，每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作。

对于BlockingQueue workQueue，一共有三种类型的queue。
所有BlockingQueue都可用于传输和保持提交的任务。可以使用此队列与池大小进行交互。

如果运行的线程少于corePoolSize，则Executor始终首选添加新的线程，而不进行排队。
（如果当前运行的线程小于corePoolSize，则任务根本不会存放，添加到queue中，而是直接开始运行）
如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则Executor始终首选将请求加入队列，而不添加新的线程。
如果无法将请求加入队列，则创建新的线程，除非创建此线程超出maximumPoolSize，在这种情况下，任务将被拒绝。

排队有三种通用策略：

直接提交。

  工作队列的默认选项是SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程而不保持它们。  
  在此，如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。  
  此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。  
  直接提交通常要求无界maximumPoolSizes以避免拒绝新提交的任务。  
  当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。  

无界队列。

  使用无界队列（例如，不具有预定义容量的LinkedBlockingQueue）将导致在所有corePoolSize线程都忙时新任务在队列中等待。  
  这样，创建的线程就不会超过corePoolSize。（因此，maximumPoolSize的值也就无效了。）  
  当每个任务独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；例如，在web服务器中。  
  这种排队可用于处理瞬态突发请求，当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。  

有界队列。

当使用有限的maximumPoolSizes时，有界队列（如ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。  

队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低CPU使用率、操作系统资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。
如果任务频繁阻塞（例如，它们是I/O边界），则系统可能为超过许可的更多线程安排时间。
使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量。

BlockingQueue的选择

例一：使用直接提交策略，即SynchronousQueue。

首先SynchronousQueue是无界的，即存储任务的能力是没有限制的，但是由于该Queue本身的特性，在某次添加元素后必须等待其他线程取走后才能继续添加。
在这里不是核心线程便是新创建的线程。
使用以下参数构造ThreadPoolExecutor：
java
new ThreadPoolExecutor(
2, 3, 30, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(),
new RecorderThreadFactory("CookieRecorderPool"),
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

当核心线程已经有2个正在运行。
1. 此时，继续来了一个任务（A），根据前面介绍的“如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则Executor始终首选将请求加入队列，而不添加新的线程”，所以A被添加到queue中。
2. 又来了一个任务（B），且核心2个线程还没有忙完，会先尝试加入队列，但是由于使用的是SynchronousQueue，所以一定无法加入进去。
3. 此时便满足了上面提到的“如果无法将请求加入队列，则创建新的线程，除非创建此线程超出maximumPoolSize，在这种情况下，任务将被拒绝。”所以必然会创建一个线程来运行这个任务。
4. 如果这三个任务都还没完成，连续来了两个任务，第一个加入queue中，后一个到来时，queue中无法插入，而线程数达到了maximumPoolSize，所以只好执行异常策略了。
所以在使用SynchronousQueue通常要求maximumPoolSize是无界的，这样就可以避免上述情况发生（如果希望限制就直接使用有界队列）。
对于使用SynchronousQueue的作用：此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。
即，任务A1，A2有内部关联，A1需要先运行，那么先提交A1，再提交A2，当使用SynchronousQueue时可以保证，A1必定先被执行前，A2不可能添加入queue中。

例二：使用无界队列策略，即LinkedBlockingQueue。

这个就拿newFixedThreadPool来说，根据前文提到的规则：
如果运行的线程少于corePoolSize，则Executor始终首选添加新的线程，而不进行排队。
如果运行的线程多于或等于corePoolSize，则Executor始终首选将请求加入队列，而不添加新的线程。
如果无法将请求加入队列，则创建新的线程，除非创建此线程超过maximumPoolSize，这时，任务将被拒绝。。
不像SynchronousQueue那样有其自身的特点，对于无界队列来说，总是可以加入的（资源耗尽另说）。即，永远也不会触发产生新的线程！
corePoolSize大小的线程数会一直运行，忙完当前的，就从队列中拿任务开始运行。所以要防止任务疯长，比如任务运行的时间较长，而添加任务的速度远远超过处理任务的时间，而且还不断增加，没多久就爆了。

例三：有界队列，使用ArrayBlockingQueue。

这个是最为复杂 的使用，JDK不推荐使用，与上面的相比，最大的特点是可以防止资源耗尽。