Java 中的线程池

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在开发中，合理地使用线程池能带来3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，任务可以不需要等到线程创建就立即执行。
第三：提高线程的可管理性。线程时稀缺资源，如果无限制地创建，不仅回消耗系统资源，还会降低系统地稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

线程池地实现原理

图9-1 线程池的主要处理流程.png 从上图可以看出，当提交一个新的任务到线程池时，线程池的处理流程如下

  1. 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。
  2. 线程池判断工作队列是否已满。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。如果工作队列满了，则进入下个流程。
  3. 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，则交给饱和粗略来处理这个任务。
    ThreadPoolExecutor 执行 execute() 方法的示意图如下 图9-2 ThreadPoolExecutor 执行示意图.png
  4. 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，执行这一步需要获取全局锁）
  5. 如果运行的线程等于或多余 corePoolSize，则将任务加入 BlockingQueue
  6. 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，执行这一步需要获取全局锁）
  7. 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 采用上述步骤的总体设计思路，是为了在执行 execut() 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（当前运行地线程数大于等于 corePoolSize），几乎所有地 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(Android API 29)：
public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    /*
     * Proceed in 3 steps:
     *
     * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
     * start a new thread with the given command as its first
     * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
     * workerCount, and so prevents false alarms that would add
     * threads when it shouldn't, by returning false.
     *
     * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
     * to double-check whether we should have added a thread
     * (because existing ones died since last checking) or that
     * the pool shut down since entry into this method. So we
     * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
     * stopped, or start a new thread if there are none.
     *
     * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
     * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
     * and so reject the task.
     */
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

线程池地使用

线程池的创建

可以通过 ThreadPoolExecutor 来创建一个线程池

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler);
  1. corePoolSize （线程池地基本大小）：如果调用了线程池地 prestartAllCoreThreads() 方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程
  2. workQueue （任务队列）：用于保存等待执行任务地阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
    • ArrayBlockingQueue：一个基于数组结构地有界阻塞队列，此队列按 FIFO （先进先出）原则对元素进行排序
    • LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构地阻塞队列，按照 FIFO 排序元素，吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。Executors.newFixedThreadPool() 使用了这个队列
    • SynchronousQueue：一个不存储元素地阻塞队列。每个插入操作必须等待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，吞吐量通常高于 LinkedBlockingQueue。Executors.newCachedThreadPool() 使用了这个队列
    • PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列
  3. 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。
  4. ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂
  5. RejecteExecutionHandler （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 JDK1.5 中Java线程池框架提供了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
    • DiscardOlderstPolicy：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
  6. keepAliveTime（线程活动保持时间）：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
  7. TimeUnit（线程活动保持时间的单位）

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别是 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。
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。

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种的工作线程，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 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，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

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 CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置 CPU数量 + 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 * CPU数量。可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 方法获得当前设备的CPU个数。

线程池的监控

可以通过线程池提供的参数进行监控

  • 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
  • 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满过
  • getPoolSize：线程池的线程数量
  • getActiveCount：获取活动的线程数
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