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一文搞懂线程池

2018.09.27 18:56 606浏览

一、引言
在学习JAVASE部分中,我们都学习到了基本的线程创建继承THREAD类或实现Runnable接口,在正常负载情况下,为每个任务分配一个线程这种方法能够提升串行执行的性能。只要请求的导弹速率不超出服务器的请求处理能力,那么这种方法可以同时带来更快的响应性和更高的吞吐率。但是在实际开发过程中,开发环境和测试环境因数据流量并没有达到实际请求流量,并不能发现实际的问题,在生产环境中,为每个任务分配一个线程这种方法存在一些缺陷,尤其是当需要创建大量的线程时:

1、线程的生命周期的开销非常高

   线程的创建于销毁并不是没有代价的。每一个线程的创建都会需要时间,延迟处理的请求,并且需要JVM和操作系统提供一些辅助操作。

2、资源消耗:

    活跃的线程会消耗系统资源,尤其是内存。如果可运行的线程数量多于可用处理器的数量,那么有些线程将闲置,大量空闲的线程会占用许多内存,给垃圾回收器带来压力,而且大量线程在竞争CPU资源时,还将产生其他性能开销,那么再创建更多的线程反而会降低性能。

3、稳定性

   在可创建线程的数量上存在一个限制。如果破坏了这些限制,那么很可能抛出OutOfMemoryError异常。

因此,在jdk1.5之后这一情况有了很大的改观。Jdk1.5之后加入了java.util.concurrent包,这个包中主要介绍java中线程以及线程池的使用。为我们在开发中处理线程的问题提供了非常大的帮助,这里主要讲解Executor框架。

二、我们为什么要使用线程池
合理利用线程池能够带来三个好处。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,任务可以不需要的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,如果无限制的创建,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的分配,调优和监控。但是要做到合理的利用线程池,必须对其原理了如指掌。

三、Executor框架
Java里面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。下面这张图完整描述了线程池的类体系结构。

图片描述

标记一下比较重要的类:

ExecutorService: 真正的线程池接口。
ScheduledExecutorService 能和Timer/TimerTask类似,解决那些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。
到这里,大家应该明白了ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor几个之间的关系了。

Executor是一个顶层接口,在它里面只声明了一个方法execute(Runnable),返回值为void,参数为Runnable类型,从字面意思可以理解,就是用来执行传进去的任务的;

然后ExecutorService接口继承了Executor接口,并声明了一些方法:submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等;

抽象类AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口,基本实现了ExecutorService中声明的所有方法;

然后ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService。

   通过适当的调整线程池的大小,可以创建足够多的线程以便使处理器保持忙碌状态,同时还可以防止过多线程相互竞争资源而使应用程序耗尽内存或失败。

  ThreadPoolExecutor类库提供了一个灵活的线程池以及一些有用的默认配置。可以通过调用Executors中的静态工厂方法之一来创建一个线程池:

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。
newFixedThreadPool 创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。
newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

(1) newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。示例代码如下:

package test;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPoolExecutorTest {
	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			final int index = i;
			try {
				Thread.sleep(index * 1000);
			}
			catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
				public void run() {
					System.out.println(index);
				}
			}
			);
		}
	}

线程池为无限大,当执行第二个任务时第一个任务已经完成,会复用执行第一个任务的线程,而不用每次新建线程。

使用场景:
1.耗时较短的任务
2.任务处理速度

任务提交速度 ,这样才能保证不会不断创建新的进程,避免内存被占满。

取名为cached-threadpool的原因在于线程池中的线程是被线程池缓存了的,也就是说,线程没有任务要执行时,便处于空闲状态,处于空闲状态的线程并不会被立即销毁(会被缓存住),只有当空闲时间超出一段时间(默认为60s)后,线程池才会销毁该线程(相当于清除过时的缓存)。新任务到达后,线程池首先会让被缓存住的线程(空闲状态)去执行任务,如果没有可用线程(无空闲线程),便会创建新的线程。

(2) newFixedThreadPool
创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。示例代码如下:

package test;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPoolExecutorTest {
	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			final int index = i;
			fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
				public void run() {
					try {
						System.out.println(index);
						Thread.sleep(2000);
					}
					catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
			);
		}
	}
}

因为线程池大小为3,每个任务输出index后sleep 2秒,所以每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()
(3) newScheduledThreadPool
创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下:

package test;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolExecutorTest {
	public static void main(String[] args) {
		ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
		scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("delay 3 seconds");
			}
		}
		, 3, TimeUnit.SECONDS);
	}
	

表示延迟3秒执行。

定期执行示例代码如下:

package test;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolExecutorTest {
	public static void main(String[] args) {
		ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
		scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
			}
		}
		, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
	}
}

(4) newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下:

package test;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();  
  for (int i = 0; i < 10; i++) {  
   final int index = i;  
   singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
     try {  
      System.out.println(index);  
      Thread.sleep(2000);  
     } catch (InterruptedException e) {  
      e.printStackTrace();  
     }  
    }  
   });  
  }  
 }  
}  

向线程池提交任务
我们可以使用execute提交的任务,但是execute方法没有返回值,所以无法判断任务知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
	}
}
);

我们也可以使用submit 方法来提交任务,它会返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功,通过future的get方法来获取返回值,get方法会阻塞住直到任务完成,而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回,这时有可能任务没有执行完。

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();
}

线程池的关闭

我们可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池,但是它们的实现原理不同,shutdown的原理是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。shutdownNow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。shutdownNow会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。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个,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。至于我们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来关闭线程池,如果任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow。

四、自定义配置线程池(深入理解ThreadPoolExecutor)
ThreadPoolExecutor为一些Executor提供了基本的实现,这些Executor是由Executors中的newCachedThreadPool、newFixedThreadPool和newScheduledExecutor等工厂方法返回的。ThreadPoolExecutor是一个灵活的、稳定的线程池,允许进行各种定制。
如果默认的执行策略不能满足需求,那么可以通过ThreadPoolExecutor的构造函数来实例化一个对象,并根据自己的需求来定制,并且可以参考Executors的源代码来了解默认配置下的执行策略,然后再以这些执行策略为基础进行修改。ThreadPoolExecutor定义了很多构造函数。我们先看下最常见的形式:
ThreadPoolExecutor的通用构造函数:

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

从上面的代码可以得知,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService类,并提供了四个构造器,事实上,通过观察每个构造器的源码具体实现,发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。

下面解释下一下构造器中各个参数的含义:

corePoolSize:核心池的大小,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法,从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中;maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize,即当线程池中的线程数大于corePoolSize时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0;unit:参数keepAliveTime的时间单位,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性:

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:

ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少,一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程;handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:

`ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务

线程池的工作流程
从上图我们可以看出,当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下:

首先线程池判断基本线程池是否已满?没满,创建一个工作线程来执行任务。满了,则进入下个流程。其次线程池判断工作队列是否已满?没满,则将新提交的任务存储在工作队列里。满了,则进入下个流程。最后线程池判断整个线程池是否已满?没满,则创建一个新的工作线程来执行任务,满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

五、参考资料
1、Java并发编程实战。
2、聊聊并发(三)Java线程池的分析和使用
3、深入理解Java之线程池

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