Java中的线程池(JDK7)

在前面的章节中我们已经多次使用了ExecutorService接口的对象，它的具体实现类主要有两个，分别是ThreadPoolExecutor和ScheduledExecutorService，它们都是某种线程池。
在JDK1.8中，按照线程池的创建方法来看，应该有五种线程池，它们的创建方法如下所示：

ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();ScheduledExecutorService singleThreadScheduledPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);

而进一步查看源代码，这些方法最终都调用了ThreadPoolExecutor和ScheduledExecutorService的构造函数。而ScheduledExecutorService继承自ThreadPoolExecutor，因此最终所有线程池的构造函数都调用了ThreadPoolExecutor的如下构造函数：

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

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.在开发中,合理地使用线程池能够带来3个好处:

• 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。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

1　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?处理流程图如图

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

• 线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务.
• 若不是,则创建一个新的工作线程来执行任务.
• 若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.如果工作队列未满,则将新提交的任务存储在这个工作队列.
• 若工作队列已满,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.
• 若没有,则创建一个新的工作线程来执行任务.
• 若已满,则交给饱和策略处理该任务.

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图如下

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况

• 若当前运行的线程少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务(注:执行这一步骤需要获取全局锁)
• 若运行的线程等于或多于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue
• 若无法将任务加入BlockingQueue（队列已满）,则创建新的线程来处理任务(注:执行这一步骤需要获取全局锁)
• 若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()时,尽可能避免获取全局锁（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:上面的流程分析让我们很直观地了解了线程池的工作原理,让我们再通过源
码来看看是如何实现的,线程池执行任务的方法如下

    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);            }            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

2　线程池的使用

2.1　线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池

new public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                              int maximumPoolSize,                              long keepAliveTime,                              TimeUnit unit,                              BlockingQueue<Runnable> workQueue)

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):指明了线程池中应该保持的线程数量，即使线程处于空闲状态，除非设置了allowCoreThreadTimeOut这个参数；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还是会创建线程,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.
• workQueue:存储待执行任务的阻塞队列，这些任务必须是Runnable的对象（如果是Callable对象，会在submit内部转换为Runnable对象）。
• 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
• maximumPoolSize（线程池最大数量）:线程池允许创建的最大线程数.若队列满,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,若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

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: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。

• 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.所以若任务多,并且每个任务执行的时间较短,可调长时间,提高线程的利用率

• TimeUnit（线程活动保持时间的单位）:指示第三个参数的时间单位；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）

弄明白以上概念后，再来看这五种线程池：

• 单线程池：newSingleThreadExecutor()方法创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())。含义是池中保持一个线程，最多也只有一个线程，也就是说这个线程池是顺序执行任务的，多余的任务就在队列中排队。
• 固定线程池：newFixedThreadPool(nThreads)方法创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())。含义是池中保持nThreads个线程，最多也只有nThreads个线程，多余的任务也在队列中排队。
• 缓存线程池：newCachedThreadPool()创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue())。含义是池中不保持固定数量的线程，随需创建，最多可以创建Integer.MAX_VALUE个线程（说一句，这个数量已经大大超过目前任何操作系统允许的线程数了），空闲的线程最多保持60秒，多余的任务在SynchronousQueue（所有阻塞、并发队列在后续文章中具体介绍）中等待。
• 单线程调度线程池：newSingleThreadScheduledExecutor()创建，五个参数分别是 (1, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持1个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。
• 固定调度线程池：newScheduledThreadPool(n)创建，五个参数分别是 (n, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持n个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。

先看第一个例子，测试单线程池、固定线程池和缓存线程池（注意增加和取消注释）：

public class ThreadPoolExam {    public static void main(String[] args) {        //first test for singleThreadPool        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();        //second test for fixedThreadPool//        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);        //third test for cachedThreadPool//        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 5; i++) {            pool.execute(new TaskInPool(i));        }        pool.shutdown();    }}class TaskInPool implements Runnable {    private final int id;    TaskInPool(int id) {        this.id = id;    }    @Override    public void run() {        try {            for (int i = 0; i < 5; i++) {                System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is running phase-"+i);                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            }            System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is over");        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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            }        });

从运行结果可以看出，单线程池中的线程是顺序执行的。固定线程池（参数为2）中，永远最多只有两个线程并发执行。缓存线程池中，所有线程都并发执行。
第二个例子，测试单线程调度线程池和固定调度线程池。

public class ScheduledThreadPoolExam {    public static void main(String[] args) {        //first test for singleThreadScheduledPool        ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();        //second test for scheduledThreadPool//        ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);        for (int i = 0; i < 5; i++) {            scheduledPool.schedule(new TaskInScheduledPool(i), 0, TimeUnit.SECONDS);        }        scheduledPool.shutdown();    }}class TaskInScheduledPool implements Runnable {    private final int id;    TaskInScheduledPool(int id) {        this.id = id;    }    @Override    public void run() {        try {            for (int i = 0; i < 5; i++) {                System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is running phase-"+i);                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            }            System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is over");        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

从运行结果可以看出，单线程调度线程池和单线程池类似，而固定调度线程池和固定线程池类似。
总结：

• 如果没有特殊要求，使用缓存线程池总是合适的；
• 如果只能运行一个线程，就使用单线程池。
• 如果要运行调度任务，则按需使用调度线程池或单线程调度线程池
• 如果有其他特殊要求，则可以直接使用ThreadPoolExecutor类的构造函数来创建线程池，并自己给定那五个参数。

submit()方法用于提交需要返回值的任务.线程池会返回一个future类型对象,通过此对象可以判断任务是否执行成功;
并可通过get()获取返回值,get()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();        }

2.3　关闭线程池

可通过调用线程池的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
• 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,应该由提交到线程池的任务的特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,若任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法.

2.4　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PriorityBlockingQueue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,比如几千.
假如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.

2.5　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.

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