8 Java中的线程池

Java中的线程池

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架,几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中,合理地使用线程池能够带来3个好处。

• 第一: 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗
• 第二: 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
• 第三: 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制地创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

线程池的实现原理

当向线程池提交一个任务之后,线程池是如何处理这个任务的呢?本节来看一下线程池的主要处理流程,处理流程图如图9-1所示。

从图中可以看出，当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下。

• 1)线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务,则进入下个流程。
• 2)线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满,则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了,则进入下个流程。
• 3)线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图，如图9-2所示。

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

• 1)如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务(注意,执行这一步骤需要获取全局锁)。
• 2)如果运行的线程等于或多于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue。
• 3)如果无法将任务加入BlockingQueue(队列已满)，则创建新的线程来处理任务(注意，执行这一步骤需要获取全局锁)。
• 4)如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximmPoolSize,任务将被拒绝,并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路,是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁(那将会是一个严重的可伸缩瓶颈)。在ThreadPoolExecutor完成预热之后(当前运行的线程数大于等于corePoolSize)，几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

源码—execute()方法如下：

工作线程:线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker，Worker在执行完任务后，还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的run()方法里看到这点。

线程池中的线程执行任务分两种情况，如下:

• 1)在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
• 2)这个线程执行完上图中1的任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

创建一个线程池时需要输入几个参数,如下:

• 1)corePoolSize(线程池的基本大小):当提交一个任务到线程池时,线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程,等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
• 2)runableTaskQueue(任务队列):用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
  • ArrayBlockingQueue:是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。
  • LinkedBlockingQueue:一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按FIFO排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
  • SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列
  • PriorityBlockingQueue:一个具有优先级的无限阻塞队列。
• 3 )maximmmPoolSize(线程池最大数量):线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数,则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是,如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
• 4)ThreadFactory:用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字,代码如下。
  
• 5)RejectedExecutionHandler(饱和策略):当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略:
  • AbortPolicy:直接抛出异常。
  • CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。
  • DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
  • DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。
  • 当然,也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。
• keepAliveTime(线程活动保持时间):线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以,如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短,可以调大时间,提高线程的利用率。
• TimeUnit(线程活动保持时间的单位):可选的单位有天(DAYS)、小时(HOURS)、分钟(MINUTES)、毫秒(MILLISECONDS)、微秒(MICROSECONDS，千分之一毫秒)和纳秒(NANOSECONDS，千分之一微秒)。

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务,分别为execute()和submit()方法。

• execute()方法用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Rumable类的实例。
• submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象,通过这个future对象可以判断任务是否执行成功,并且可以通过future的get()方法来获取返回值, get()方法会阻塞调用线程直到任务完成返回一个结果,而使用get(long timeout，TimeUnit unit)方法则会阻塞调用线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

关闭线程池

线程池有两种关闭的方法，第一种是调用shutdown方法，一种是调用shutdownnow方法。

• shutdown方法并不会立即停止所有的任务，shutdown方法会拒绝新任务，但是已经发送到线程池中的任务会执行，当所有的任务执行完成，线程池才会关闭线程.这种关闭方式并不会立即停止线程池，但对于应用程序而言所有的任务都已经执行完成，不会出现一些安全性问题，比如说一些事务已经在线程池中提交，shutdown方法并不会中断或者取消已经在线程池中的任务。
• 但是另一种方式shutdownNow就不太一样，它不仅会停止新任务的提交，它还会尝试取消或者中断正在执行的任务，如果这个时候有些事务性的操作已经完成，但它又被中断了，所以会产生一些安全性问题。
• 所以建议大家如果提交的任务不在意结果，则可以调用shutdownNow,如果在意还是用shutdown方式比较好。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true

合理地配置线程池

要想合理地配置线程池,就必须首先分析任务特性,可以从以下几个角度来分析。

• 任务的性质:CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
• 任务的优先级:高、中和低。
• 任务的执行时间:长、中和短。
• 任务的依赖性:是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。由于IO密集型任务线程并不是一直在执行任务,则应配置尽可能多的线程,如2*Ncpu。混合型的任务,如果可以拆分.将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务.只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRutime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。

注意：如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行。

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,等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大,这样才能更好地利用CPU,

建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力,可以根据需要设大一点儿，比如几千。如果设置成无界队列，那么线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用,而不只是后台任务出现问题。

线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池,则有必要对线程池进行监控,方便在出现问题时,可以根据线程池的使用状况快速定位问题。

可以通过线程池提供的参数进行监控,在监控线程池的时候可以使用以下属性：

• taskCouunt:线程池需要执行的任务数量。
• completedTaskCount:线程池在运行过程中已完成的任务数量,小于或等于taskCouunt
• largestPoolSize:线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否鲁经满过。如该数值等干线程池的最大大小,则表示线程池曾经满过。
• getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话,线程池里的线程不会自动销毁,所以这个大小只增不减
• getActiveCount:获取活动的线程数。

通过扩展（重写线程执行前后方法）线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池,重写线程池的beforeExecute、afterExecute和ternminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如,监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。