线程池

发表于 2019-08-29 更新于 2021-08-17 分类于技术文档

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简单介绍Java中线程池，包括：线程池概述，使用场景和优势，实现原理，简单使用，如何合理的配置线程池以及线程池监控等。

线程池

第一节概述

1.1 简介

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。JDK 1.5时引入了 java.util.concurrent 包，线程池也包含在内。

线程池的主要作用是限制系统中执行线程的数量。超过允许数量时会让线程排队等待，当一个任务执行完毕时，再从队列取出最前的任务开始执行。

1.2 为什么使用线程池？

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。
可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(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)。

1.3 线程池优势

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。
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。
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。

1.4 相关类和接口

Executor：顶部接口，执行线程的工具。
ExecutorService：真正的线程池接口。
ScheduledExecutorService：解决需要任务重复执行的问题。
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。

第二节实现原理

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？

线程池的主要处理流程图如下图所示。

线程池的主要处理流程

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。
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。
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，如下图所示。

ThreadPoolExecutor执行示意图

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

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）。
如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
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）。
如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，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。

源码分析（旧版）：

public void execute(Runnable command) {        
       if (command == null)            
           throw new NullPointerException(); 
       // 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务 
       if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) { 
           // 如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。 
           if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {        
               if (runState != RUNNING || poolSize == 0)                    
                   ensureQueuedTaskHandled(command); 
           } 
           // 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量， 
           // 则创建一个线程执行任务。 
           else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command)) 
           // 抛出RejectedExecutionException异常 
           reject(command); 
           // is shutdown or saturated            
       }        
   }

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。

public void run() {    
    try {        
        Runnable task = firstTask;        
        firstTask = null;        
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {                
            runTask(task);
            task = null;        
        }    
    } finally {            
        workerDone(this);    
    } 
}

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图如下图所示。

ThreadPoolExecutor执行任务示意图

线程池中的线程执行任务分两种情况，如下。

在 execute() 方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
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。

第三节线程池的使用

3.1 线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

1	new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, handler);

创建一个线程池时需要输入几个参数，如下。

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。
runnableTaskQueue（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LinkedBlockingQueue，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。
maximumPoolSize（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。
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。

1	new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

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JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。
- AbortPolicy：直接抛出异常。
- CallerRunsPolicy：调用当前线程池的所在的线程去执行被拒绝的任务，可能会阻塞主线程。
- 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。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）。

3.2 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Runnable类的实例。

threadsPool.execute(new Runnable() {                        
    @Override                        
    public void run() {                                
        // TODO Auto-generated method stub                        
    }                
});

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() 方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用 get(long timeout，TimeUnit unit) 方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);                
try {                        
    Object s = future.get();                
} catch (InterruptedException e) {                        
    // 处理中断异常                
} catch (ExecutionException e) {                        
    // 处理无法执行任务异常                
} finally {                        
    // 关闭线程池                        
    executor.shutdown();                
}

3.3 关闭线程池

可以通过调用线程池的 shutdown 或 shutdownNow 方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的 interrupt 方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow 首先将线程池的状态设置成 STOP ，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而 shutdown 只是将线程池的状态设置成 SHUTDOWN 状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

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。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用 shutdown 方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用 shutdownNow 方法。

3.4 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.getRuntime().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。有一次，我们系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，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。当然，我们的系统所有的任务是用单独的服务器部署的，我们使用不同规模的线程池完成不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务。

3.5 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：

taskCount：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taskCount。
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曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，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 terminated 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。

1	protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

参考：

🔗《Java并发编程的艺术》

线程池

第一节 概述