Java并发学习笔记（九）线程池

最新推荐文章于 2024-03-06 16:13:41 发布

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Java并发学习笔记（九）线程池

4.1 newFixedThreadPool

4.2 newCachedThreadPool

4.3 newScheduledThreadPool

4.4 newSingleThreadExecutor

五. 线程池的关闭

六. 如何合理配置线程池参数？

Refference

一. 线程池简介

线程池：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。

可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。例如，线程数一般取cpu数量+2比较合适，线程数过多会导致额外的线程切换开销。

1. 线程池的概念

线程池就是首先创建一些线程，它们的集合称为线程池。使用线程池可以很好地提高性能，线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程，程序将一个任务传给线程池，线程池就会启动一条线程来执行这个任务，执行结束以后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态，等待执行下一个任务。

2. 线程池的工作机制

2.1 在线程池的编程模式下，任务是提交给整个线程池，而不是直接提交给某个线程，线程池在拿到任务后，就在内部寻找是否有空闲的线程，如果有，则将任务交给某个空闲的线程。

2.1 一个线程同时只能执行一个任务，但可以同时向一个线程池提交多个任务。

3. 使用线程池的原因

多线程运行时间，系统不断的启动和关闭新线程，成本非常高，会过渡消耗系统资源，以及过渡切换线程的危险，从而可能导致系统资源的崩溃。这时，线程池就是最好的选择了。

4.使用线程池的好处

降低资源消耗。通过复用已存在的线程和降低线程关闭的次数来尽可能降低系统性能损耗；
提升系统响应速度。通过复用线程，省去创建线程的过程，因此整体上提升了系统的响应速度；
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，因此，需要使用线程池来管理线程。

本质上来讲，使用线程池主要就是为了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；节约应用内存（线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机）

二. 线程池的工作原理

当一个并发任务提交给线程池，线程池分配线程去执行任务的过程如下图所示：

从图可以看出，线程池执行所提交的任务过程主要有这样几个阶段：

先判断线程池中核心线程池所有的线程是否都在执行任务。如果不是，则新创建一个线程执行刚提交的任务，否则，核心线程池中所有的线程都在执行任务，则进入第2步；
判断当前阻塞队列是否已满，如果未满，则将提交的任务放置在阻塞队列中；否则，则进入第3步；
判断线程池中所有的线程是否都在执行任务，如果没有，则创建一个新的线程来执行任务，否则，则交给饱和策略进行处理

三. 线程池的创建

创建线程池主要是ThreadPoolExecutor类来完成，ThreadPoolExecutor的有许多重载的构造方法，通过参数最多的构造方法来理解创建线程池有哪些需要配置的参数。ThreadPoolExecutor的构造方法为：

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

参数说明：

1：int corePoolSize = > 该线程池中核心线程数最大值

什么是核心线程：线程池新建线程的时候，如果当前线程总数小于 corePoolSize ，则新建的是核心线程；如果超过corePoolSize，则新建的是非核心线程。

核心线程默认情况下会一直存活在线程池中，即使这个核心线程啥也不干(闲置状态)。

如果指定ThreadPoolExecutor的 allowCoreThreadTimeOut 这个属性为true，那么核心线程如果不干活(闲置状态)的话，超过一定时间( keepAliveTime)，就会被销毁掉

2：int maximumPoolSize = > 该线程池中线程总数的最大值

线程总数计算公式 = 核心线程数 + 非核心线程数。

表示线程池能创建线程的最大个数。如果当阻塞队列已满时，并且当前线程池线程个数没有超过maximumPoolSize的话，就会创建新的非核心线程来执行任务。

3：long keepAliveTime = > 该线程池中非核心线程闲置超时时长

注意：一个非核心线程，如果不干活(闲置状态)的时长，超过这个参数所设定的时长，就会被销毁掉。但是，如果设置了 allowCoreThreadTimeOut = true，则会作用于核心线程。

4：TimeUnit unit = > （时间单位）

为keepAliveTime指定时间单位，TimeUnit是一个枚举类型，翻译过来就是时间单位，我们最常用的时间单位包括：

MILLISECONDS ： 1毫秒、SECONDS ：秒、MINUTES ：分、HOURS ：小时、DAYS ：天

5：BlockingQueue<Runnable> workQueue = >( Blocking：阻塞的，queue：队列)

该线程池中的任务队列：维护着等待执行的Runnable对象。当所有的核心线程都在干活时，新添加的任务会被添加到这个队列中等待处理，如果队列满了，则新建非核心线程执行任务。

BlockingQueue API介绍：

offer(E e): 将给定的元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false. e的值不能为空，否则抛出空指针异常。

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit): 将给定元素在给定的时间内设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false.

add(E e): 将给定元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则抛出异常。如果是往限定了长度的队列中设置值，推荐使用offer()方法。

put(E e): 将元素设置到队列中，如果队列中没有多余的空间，该方法会一直阻塞，直到队列中有多余的空间。

take(): 从队列中获取值，如果队列中没有值，线程会一直阻塞，直到队列中有值，并且该方法取得了该值。

poll(long timeout, TimeUnit unit): 在给定的时间里，从队列中获取值，如果没有取到会抛出异常。

remainingCapacity()：获取队列中剩余的空间。

remove(Object o): 从队列中移除指定的值。

contains(Object o): 判断队列中是否拥有该值。

drainTo(Collection c): 将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。

SynchronousQueue：（同步队列）这个队列接收到任务的时候，会直接提交给线程处理，而不保留它（名字定义为同步队列）。但有一种情况，假设所有线程都在工作怎么办？

这种情况下，SynchronousQueue就会新建一个线程来处理这个任务。所以为了保证不出现（线程数达到了maximumPoolSize而不能新建线程）的错误，使用这个类型队列的时候，maximumPoolSize一般指定成Integer.MAX_VALUE，即无限大，去规避这个使用风险。

LinkedBlockingQueue（链表阻塞队列）：这个队列接收到任务的时候，如果当前线程数小于核心线程数，则新建线程(核心线程)处理任务；如果当前线程数等于核心线程数，则进入队列等待。由于这个队列没有最大值限制，即所有超过核心线程数的任务都将被添加到队列中，这也就导致了maximumPoolSize的设定失效，因为总线程数永远不会超过corePoolSize

ArrayBlockingQueue（数组阻塞队列）：可以限定队列的长度（既然是数组，那么就限定了大小），接收到任务的时候，如果没有达到corePoolSize的值，则新建线程(核心线程)执行任务，如果达到了，则入队等候，如果队列已满，则新建线程(非核心线程)执行任务，又如果总线程数到了maximumPoolSize，并且队列也满了，则发生错误

DelayQueue（延迟队列）：队列内元素必须实现Delayed接口，这就意味着你传进去的任务必须先实现Delayed接口。这个队列接收到任务时，首先先入队，只有达到了指定的延时时间，才会执行任务

6：ThreadFactory threadFactory = >创建线程的工程类。可以通过指定线程工厂为每个创建出来的线程设置更有意义的名字，如果出现并发问题，也方便查找问题原因。

7：RejectedExecutionHandler handler = > 这个主要是用来抛异常的。当线程池的阻塞队列已满和指定的线程都已经开启，说明当前线程池已经处于饱和状态了，那么就需要采用一种策略来处理这种情况。采用的策略有这几种：

AbortPolicy：直接拒绝所提交的任务，并抛出RejectedExecutionException异常；
CallerRunsPolicy：只用调用者所在的线程来执行任务；
DiscardPolicy：不处理直接丢弃掉任务；
DiscardOldestPolicy：丢弃掉阻塞队列中存放时间最久的任务，执行当前任务

线程池的设计思想就是使用了核心线程池corePoolSize，阻塞队列workQueue和线程池maximumPoolSize，这样的缓存策略来处理任务，实际上这样的设计思想在需要框架中都会使用。

四. 4种常见的线程池

4.1 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。

创建一个线程池，使用固定数量的线程在共享的无界队列中操作。

在任何时候，有最多 nThreads（就是我们传入参数的数量）的线程将处理任务。

如果所有线程都处于活动状态时，提交额外的任务，他们会在队列中等待，直到有一个线程可用。

如果在执行过程中出现故障，任何线程都会终止。如果需要执行后续任务，新的任务将取代它的位置。线程池中的线程会一直存在，直到它关闭为止（调用shutdown）

nThreads 就是传入线程池的数量，当nThreads <= 0 就会抛异常IllegalArgumentException。

示例代码：

 1 package com.study.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 4 import java.util.concurrent.Executors;
 5 
 6 public class ThreadPoolExecutorTest {
 7     public static void main(String[] args) {
 8         //创建一个可重用固定个数的线程池
 9         ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
10         for (int i = 0; i < 10; i++) {
11             fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
12                 public void run() {
13                     try {
14                         //打印正在执行的缓存线程信息
15                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被执行");
16                         Thread.sleep(2000);
17                     } catch (InterruptedException e) {
18                         e.printStackTrace();
19                     }
20                 }
21             });
22         }
23     }
24 }

因为线程池大小为3，每个任务输出打印结果后sleep 2秒，所以每两秒打印3个结果。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()

4.2 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。

可缓存线程池，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就直接使用。如果没有，就建一个新的线程加入池中，缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务。

示例代码：

 1 package com.study.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 4 import java.util.concurrent.Executors;
 5 
 6 public class ThreadPoolExecutorTest {
 7     public static void main(String[] args) {
 8         //创建一个可缓存线程池
 9         ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
10         for (int i = 0; i < 10; i++) {
11             try {
12                 //sleep可明显看到使用的是线程池里面以前的线程，没有创建新的线程
13                 Thread.sleep(1000);
14             } catch (InterruptedException e) {
15                 e.printStackTrace();
16             }
17             cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
18                 public void run() {
19                     //打印正在执行的缓存线程信息
20                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被执行");
21                 }
22             });
23         }
24     }
25 }

线程池为无限大，当执行当前任务时上一个任务已经完成，会复用执行上一个任务的线程，而不用每次新建线程。

4.3 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：

 1 package com.study.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.Executors;
 4 import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
 5 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 6 
 7 public class ThreadPoolExecutorTest {
 8     public static void main(String[] args) {
 9         //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
10         ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
11         //延迟1秒执行
12         scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
13             public void run() {
14                 System.out.println("延迟1秒执行");
15             }
16         }, 1, TimeUnit.SECONDS);
17     }
18 }

输出结果：延迟1秒执行

定期执行示例代码：

 1 package com.study.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.Executors;
 4 import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
 5 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 6 
 7 public class ThreadPoolExecutorTest {
 8     public static void main(String[] args) {
 9         //创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行——定期执行
10         ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
11         //延迟1秒后每3秒执行一次
12         scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
13             public void run() {
14                 System.out.println("延迟1秒后每3秒执行一次");
15             }
16         }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
17     }
18 }

输出结果：

延迟1秒后每3秒执行一次
延迟1秒后每3秒执行一次
.............

4.4 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：

 1 package com.study.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 4 import java.util.concurrent.Executors;
 5 
 6 public class TestThreadPoolExecutor {
 7     public static void main(String[] args) {
 8         //创建一个单线程化的线程池
 9         ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
10         for (int i = 0; i < 10; i++) {
11             final int index = i;
12             singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
13                 public void run() {
14                     try {
15                         //结果依次输出，相当于顺序执行各个任务
16                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被执行,打印的值是:"+index);
17                         Thread.sleep(1000);
18                     } catch (InterruptedException e) {
19                         e.printStackTrace();
20                     }
21                 }
22             });
23         }
24     }
25 }

五. 线程池的关闭

关闭线程池，可以通过 shutdown 和 shutdownNow 这两个方法。它们的原理都是遍历线程池中所有的线程，然后依次中断线程。shutdown和shutdownNow还是有不一样的地方：

shutdownNow首先将线程池的状态设置为STOP,然后尝试停止所有的正在执行和未执行任务的线程，并返回等待执行任务的列表；
shutdown只是将线程池的状态设置为SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程

可以看出shutdown方法会将正在执行的任务继续执行完，而shutdownNow会直接中断正在执行的任务。调用了这两个方法的任意一个，isShutdown方法都会返回true，当所有的线程都关闭成功，才表示线程池成功关闭，这时调用isTerminated方法才会返回true。

六. 如何合理配置线程池参数？

要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来进行分析：

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。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于需要等待IO操作，线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2xNcpu。混合型的任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个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率要高于串行执行的吞吐率，如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。我们可以通过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得到执行，需要注意的是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，或者也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，如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用CPU。

并且，阻塞队列最好是使用有界队列，如果采用无界队列的话，一旦任务积压在阻塞队列中的话就会占用过多的内存资源，甚至会使得系统崩溃。