Java中如何优雅的使用线程池?

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为什么要用线程池?

线程是不是越多越好?

  1. 线程在java中是一个对象,更是操作系统的资源,线程创建、销毁需要时间。如果创建时间+小会时间>执行任务时间就很不合算。
  2. java对象占用堆内存,操作系统线程占用系统内存,根据jvm规范,一个线程默认最大栈大小1M,这个栈空间是需要从系统内存中分配的。线程过多,会消耗很多的内存。
  3. 操作系统需要频繁切换线程上下文(每个线都想被运行),影响性能。

线程池的推出,就是为了方便边的控制线程数量。

线程池

线程池基本概念

线程池包括以下四个基本组成部分:

  1. 线程池管理器:用于创建并管理线程池,包括创建线程池,销毁线程池,添加新任务;
  2. 工作线程:线程池中线程,在没有任务时处于等待状态,可以循环的执行任务;
  3. 任务接口:每个任务必须实现的借口,以供工作线程调度任务的执行,它主要规定了任务的入口,任务执行完后的收尾工作,任务的执行状态等;
  4. 任务队列:用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

线程池接口定义和实现类

可以认为ScheduledThreadPoolExector是最丰富的实现类。

ExecutorService

public interface ExecutorService extends Executor {
    /**
     * 优雅关闭线程池,之前提交的任务将被执行,但是不会接受新的任务。
     */
    void shutdown();

    /**
     * 尝试停止所有正在执行的任务,停止等待任务的处理,并返回等待执行任务的列表。
     */
    List<Runnable> shutdownNow();

    /**
     * 如果此线程池已关闭,则返回true.
     */
    boolean isShutdown();

    /**
     * 如果关闭后的所有任务都已完成,则返回true
     */
    boolean isTerminated();

    /**
     * 监测ExecutorService是否已经关闭,直到所有任务完成执行,或超时发生,或当前线程被中断。
     */
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 提交一个用于执行的Callable返回任务,并返回一个Future,用于获取Callable执行结果。
     */
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    /**
     * 提交可运行任务以执行,并返回Future,执行结果为传入的result
     */
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    /**
     * 提交可运行任务以执行,并返回Future对象,执行结果为null
     */
    Future<?> submit(Runnable task);

    /**
     * 执行给定的任务集合,执行完毕后,则返回结果。
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

    /**
     * 执行给定的任务集合,执行完毕或者超时后,则返回结果,其他任务终止。
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 执行给定的任务,任意一个执行成功则返回结果,其他任务终止。
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 执行给定的任务,任意一个执行成功或者超时后,则返回结果,其他任务终止
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

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ScheduledExecutorService

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    /**
     * 创建并执行一个一次性任务,过了延迟时间就会被执行
     */
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 创建并执行一个一次性任务,过了延迟时间就会被执行
     */
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 创建并执行一个周期性任务,过了给定的初始化延迟时间,会第一次被执行。执行过程中发生了异常,那么任务停止
     * 一次任务执行时长超过了周期时间,下一次任务会等到该次任务执行结束后,立刻执行,这也是它和scheduleWithTixedDelay的重要区别
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    /**
     * 创建并执行一个周期性任务,过了给定的初始化延迟时间,会第一次被执行。执行过程中发生了异常,那么任务停止
     * 一次任务执行时长超过了周期时间,下一次任务会在该次任务执行结束的时间基础上,计算执行延时。
     * 对于超时周期的长时间处理任务的不同处理方式,这是它和scheduleAtFixedRate的重要区别
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}
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线程池工具类

在使用过程中,可以自己实例化线程池,也可以用Executors创建线程池的工厂累,常用方法如下:

newFixedThreadPool(int nThreads)

创建一个固定大小、任务队列容量误解的线程池。核心线程数=最大线程数。

newCachedThreadPool()

创建的是一个大小无界的缓冲线程池。它的任务队列是一个同步队列。任务加入到池中,如果池中有空闲线程,则用空闲线程执行,如无则创建新线程执行。池中的线程空闲时间超过60秒,将被销毁释放。线程数随任务的多少变化。适用于执行耗时较小的异步任务。池的核心线程数=0,最大线程=Integer.MAX_VALUE

newSingleThreadExecutor()

只有一个线程来执行无界任务队列的单一线程池。该线程池确保任务加入的顺序一个一个一次执行。当唯一的线程因任务异常中止时,将创建一个新的线程来继续执行后续的任务。与newFixedThreadPool(1)的区别在于,单一线程池的池大小在newSingleThreadExecutor方法中硬编码,不能再改变的。

newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

能定时执行任务的线程池。该池的核心线程数由参数指定,最大线程数=Integer.MAX_VALUE

任务线程池执行过程

如何确认合适的线程数量?

  • 如果是CPU密集型应用,则线程池大小设置为N+1 (N为CPU总核数)
  • 如果是IO密集型应用,则线程池大小设置为2N+1 (N为CPU总核数)
  • 线程等待时间(IO)所占比例越高,需要越多线程。
  • 线程CPU时间所占比例越高,需要越少线程。

一个系统最快的部分是CPU,所以决定一个系统吞吐量上限的是CPU。增强CPU处理能力,可以提高系统吞吐量上限。但根据短板效应,真实的系统吞吐量并不能单纯根据CPU来计算。那要提高系统吞吐量,就需要从“系统短板”(比如网络延迟、IO)着手:

  1. 尽量提高短板操作的并行化比率,比如多线程下载技术;
  2. 增强短板能力,比如用NIO替代IO;

线程池的使用分析

public class ExecutorsUse {
    /**
     * 测试: 提交15 个执行时间需要3秒的任务,看线程池的状况
     *
     * @param threadPoolExecutor 传入不同的线程池,看不同的结果
     * @throws Exception
     */
    public void testCommon(ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor) throws Exception {
        // 测试: 提交15个执行时间需要3秒的任务,看超过大小的2个,对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                        try {
                            System.out.println("开始执行:" + n);
                            Thread.sleep(3000L);
                            System.err.println("执行结束:" + n);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
            );
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 查看线程数量,查看队列等待数量
        Thread.sleep(500L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为:" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为:" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
        // 等待15秒,查看线程数量和队列数量(理论上,会被超出核心线程数量的线程自动销毁)
        Thread.sleep(15000L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为:" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为:" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
    }

    /**
     * 1、线程池信息: 核心线程数量5,最大数量10,无界队列,超出核心线程数量的线程存活时间:5秒, 指定拒绝策略
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest1() throws Exception {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果:线程池线程数量为:5,超出数量的任务,其他的进入队列中等待被执行
    }

    /**
     * 2、 线程池信息: 核心线程数量5,最大数量10,队列大小3,超出核心线程数量的线程存活时间:5秒, 指定拒绝策略的
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest2() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5,最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池,也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常,java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果:
        // 1、 5个任务直接分配线程开始执行
        // 2、 3个任务进入等待队列
        // 3、 队列不够用,临时加开5个线程来执行任务(5秒没活干就销毁)
        // 4、 队列和线程池都满了,剩下2个任务,没资源了,被拒绝执行。
        // 5、 任务执行,5秒后,如果无任务可执行,销毁临时创建的5个线程
    }

    /**
     * 3、 线程池信息: 核心线程数量5,最大数量5,无界队列,超出核心线程数量的线程存活时间:5秒
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest3() throws Exception {
        // 和Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结:线程池线程数量为:5,超出数量的任务,其他的进入队列中等待被执行
    }

    /**
     * 4、 线程池信息:
     * 核心线程数量0,最大数量Integer.MAX_VALUE,SynchronousQueue队列,超出核心线程数量的线程存活时间:60秒
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest4() throws Exception {

        // SynchronousQueue,实际上它不是一个真正的队列,因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是,它维护一组线程,这些线程在等待着把元素加入或移出队列。
        // 在使用SynchronousQueue作为工作队列的前提下,客户端代码向线程池提交任务时,
        // 而线程池中又没有空闲的线程能够从SynchronousQueue队列实例中取一个任务,
        // 那么相应的offer方法调用就会失败(即任务没有被存入工作队列)。
        // 此时,ThreadPoolExecutor会新建一个新的工作者线程用于对这个入队列失败的任务进行处理(假设此时线程池的大小还未达到其最大线程池大小maximumPoolSize)。

        // 和Executors.newCachedThreadPool()一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                new SynchronousQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果:
        // 1、 线程池线程数量为:15,超出数量的任务,其他的进入队列中等待被执行
        // 2、 所有任务执行结束,60秒后,如果无任务可执行,所有线程全部被销毁,池的大小恢复为0
        Thread.sleep(60000L);
        System.out.println("60秒后,再看线程池中的数量:" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
    }

    /**
     * 5、 定时执行线程池信息:3秒后执行,一次性任务,到点就执行 <br/>
     * 核心线程数量5,最大数量Integer.MAX_VALUE,DelayedWorkQueue延时队列,超出核心线程数量的线程存活时间:0秒
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest5() throws Exception {
        // 和Executors.newScheduledThreadPool()一样的
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        threadPoolExecutor.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("任务被执行,现在时间:" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println(
                "定时任务,提交成功,时间是:" + System.currentTimeMillis() + ", 当前线程池中线程数量:" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        // 预计结果:任务在3秒后被执行一次
    }

    /**
     * 6、 定时执行线程池信息:线程固定数量5 ,<br/>
     * 核心线程数量5,最大数量Integer.MAX_VALUE,DelayedWorkQueue延时队列,超出核心线程数量的线程存活时间:0秒
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest6() throws Exception {
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        // 周期性执行某一个任务,线程池提供了两种调度方式,这里单独演示一下。测试场景一样。
        // 测试场景:提交的任务需要3秒才能执行完毕。看两种不同调度方式的区别
        // 效果1: 提交后,2秒后开始第一次执行,之后每间隔1秒,固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕,则等待完毕,完毕后立刻执行)。
        // 也就是说这个代码中是,3秒钟执行一次(计算方式:每次执行三秒,间隔时间1秒,执行结束后马上开始下一次执行,无需等待)
        threadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-1 被执行,现在时间:" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 效果2:提交后,2秒后开始第一次执行,之后每间隔1秒,固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕,则等待完毕,等上一次执行完毕后再开始计时,等待1秒)。
        // 也就是说这个代码钟的效果看到的是:4秒执行一次。 (计算方式:每次执行3秒,间隔时间1秒,执行完以后再等待1秒,所以是 3+1)
        threadPoolExecutor.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-2 被执行,现在时间:" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    /**
     * 7、 终止线程:线程池信息: 核心线程数量5,最大数量10,队列大小3,超出核心线程数量的线程存活时间:5秒, 指定拒绝策略的
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest7() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5,最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池,也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常,java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        // 测试: 提交15个执行时间需要3秒的任务,看超过大小的2个,对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行:" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常:" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行,3个任务进入队列等待,2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdown后,不接收新的任务,等待13任务执行结束
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后,无法再提交,会被拒绝执行
    }

    /**
     * 8、 立刻终止线程:线程池信息: 核心线程数量5,最大数量10,队列大小3,超出核心线程数量的线程存活时间:5秒, 指定拒绝策略的
     *
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest8() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5,最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池,也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常,java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        // 测试: 提交15个执行时间需要3秒的任务,看超过大小的2个,对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行:" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常:" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        List<Runnable> shutdownNow = threadPoolExecutor.shutdownNow();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        System.out.println("未结束的任务有:" + shutdownNow.size());

        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行,3个任务进入队列等待,2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdownnow后,队列中的3个线程不再执行,10个线程被终止
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后,无法再提交,会被拒绝执行
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest1();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest2();
//          new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest3();
        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest4();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest5();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest6();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest7();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest8();
    }
}
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