线程池的简介及底层原理

辰凩風
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一、什么是线程池？

    线程池做的工作主要是控制运行的线程的数量，处理过程中将任务加入队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程数超过了最大数量，超出的数量的线程排队等候，等其他线程执行完毕，再从队列中取出任务来执行。

线程池的主要特点为：线程复用、控制最大并发数、管理线程。

二、线程池的优势

  1. 降低资源消耗。 通过重复利用自己创建的线程，降低线程创建和销毁造成的消耗。
  2. 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。
  3. 提高线程的可管理性。 线程是稀缺资源，如果无限的创建，不仅会消耗资源，还会较低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配，调优和监控。

三、架构实现

    Java 中的线程池是通过Executor框架实现的，该框架中用到了Executor，Executors，ExecutorService，ThreadPoolExecutor这几个类。 image.png

四、线程池的几种创建方式

4.0 ThreadPoolExecutor()

最原始的线程池创建，下面的前三种创建方式都是对ThreadPoolExecutor的封装。 image.png

4.1 Executors.newFixedThreadPool(int)

image.png 主要特点如下：

  1. 创建一个定长线程池，可控制线程的最大并发数，超出的线程会在队列中等待.
  2. newFixedThreadPool创建的线程池corePoolSize和MaxmumPoolSize是相等的，它使用的LinkedBlockingQueue。

4.2 Executors.newSingleThreadExecutor()

image.png 主要特点如下：

  1. 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，保证所有任务都按照指定顺序执行。
  2. newSingleThreadExecutor将corePoolSize和MaxmumPoolSize都设置为1，它使用的是LinkedBlockingQueue。

4.3 Executors.newCachedThreadPool()

image.png 主要特点如下：

  1. 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，则创建新线程。
  2. newCachedThreadPool将corePoolSize设置为 0，MaxmumPoolSize设置为 Integer.MAX_VALUE，它使用的是SynchronousQueue，也就是说来了任务就创建线程运行，如果线程空闲超过60秒，就销毁线程。

4.4 Executors.newWorkStealingPool()

Java 8 加入的创建方法，其内部会构建ForkJoinPool，利用Work-Stealing算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

4.5 生产中的使用

    实际生产中不使用 Executors 创建线程池，需要使用 ThreadPoolExecutor 自定义创建。 阿里巴巴开发手册中关于并发处理的部分内容： image.png 自定义创建线程池：

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(
            2,
            5,
            1L,
            TimeUnit.SECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<>(3),
            Executors.defaultThreadFactory(),
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    try {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            threadPool.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 办理业务");
            });
        }
    } finally {
        threadPool.shutdown();
    }
}

五、线程池中的几个重要参数

image.png

  • corePoolSize：线程池中的常驻核心线程数。
  • maximumPoolSize：线程池能够容纳的同时执行的最大线程数，此值大于等于 1。
  • keepAliveTime：多余的空闲线程存活时间，当空闲时间达到keepAliveTime值时，多余的线程会被销毁，直到只剩下corePoolSize个线程为止。
  • unit：keepAliveTime的单位。
  • workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。
  • threadFactory：表示生成线程池中工作线程的线程工厂，用户创建新线程，一般用默认即可。
  • handler：拒绝策略，表示当线程队列满了并且工作线程大于等于线程池的最大线程数(maxnumPoolSize)时如何来拒绝。

六、线程池的底层工作原理

  1. 在创建了线程池后，等待提交过来的任务请求。
  2. 当调用execute()方法添加一个请求任务时，线程池会做如下判断：
    2.1 如果正在运行的线程数量小于corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
    2.2 如果正在运行的线程数量大于或等于corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
    2.3 如果这时候队列满了且正在运行的线程数量还小于maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；
    2.4 如果队列满了且正在运行的线程数量大于或等于maximumPoolSize，那么线程池会启动饱和拒绝策略来执行。
  3. 当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
  4. 当一个线程无事可做，超过一定的时间(keepAliveTime) 时，线程池会判断：
    如果当前运行的线程数大于corePoolSize，那么这个线程就被停掉。
    所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到corePoolSize的大小。 image.png image.png

七、线程池的拒绝策略

当线程池中工作线程数达到maximumPoolSize，且工作队列已满，那么就会执行拒绝策略处理任务，jdk 内置有四种拒绝策略。

拒绝策略拒绝行为
AbortPolicy直接抛出 RejectedException 异常阻止系统正常运行
CallerRunsPolicy"调用者运行"一种调节机制，该策略既不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是由提交任务者执行这个任务
DiscardOldestPolicy抛弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加入队列中尝试再次提交
DiscardPolicy直接丢弃任务，不予任何处理也不抛出异常。如果允许任务丢失，这是最好的拒绝策略

八、合理配置线程池参数

首先，通过System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors());获得当前计算机的 CPU 核数。

8.1 CPU 密集型

    CPU 密集的意思是该任务需要大量的运算，而没有阻塞，CPU一直全速运行。

    CPU 密集任务只有在真正的多核 CPU 上才可能得到加速(通过多线程)，而在单核CPU上，无论开几个模拟的多线程，该任务都不可能得到加速，因为CPU总的运算能力就那些。

    CPU 密集型任务配置尽可能少的线程数量：一般公式：CPU核数+1个线程的线程池

8.2 IO密集型

  1. 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 CPU 核数 * 2。
  2. IO密集型，即该任务需要大量的IO，即大量的阻塞。在单线程上运行 IO 密集型的任务会导致浪费大量的 CPU 运算能力在等待上。所以在 IO 密集型任务中使用多线程可以大大的加速程序运行，即使在单核CPU上，这种加速主要就是利用了被浪费掉的阻塞时间。
    IO 密集型时，大部分线程都阻塞，故需要多配置线程数：
    参考公式：CPU核数 / (1-阻塞系数)                     阻塞系数在0.8~0.9之间
    比如 8 核CPU：8 / (1 - 0.9) = 80 个线程数
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