Java线程池ThreadPoolExecutor（二）

程序员侠客行
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在《Java线程池ThreadPoolExecutor（一）》中，介绍了ThreadPoolExecutor的一些关键属性、工作线程执行流程。现在，一起来看看Java线程池的创建、关闭、调优和监控。

1 创建线程池

1.1 使用构造器

使用ThreadPoolExecutor构造器来创建线程池，其他参数在《Java线程池ThreadPoolExecutor（一）》中过介绍。现在来看看workQueue（任务队列）如何设置。

workQueue是BlockingQueue<Runnable>的子类，有以下可选项：

  • ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
  • LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。
  • 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LinkedBlockingQueue PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

1.2 使用Executors工厂类

Executors类中提供了很多工厂方法，可以创建几种类型的ThreadPoolExecutor。

FixedThreadPool

固定线程数的线程池，corePoolSize和maximumPoolSize设置为相同的值，即全是核心线程，无法创建应急线程，线程池中线程也不会因空闲而终止。适用于任务量已知，相对耗时的任务。

image.png 使用无界队列LinkedBlockingQueue作为工作队列（容量为Integer.MAX_VALUE），有如下影响：

  1. 当线程池中的线程数达到corePoolSize后，新任务都将放入无界队列中等待；
  2. maximumPoolSize、keepAliveTime将是无效参数。
  3. 运行中的FixedThreadPool不会拒绝任何任务，因此较难感知到任务是否积压。

SingleThreadExecutor

corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1，其他参数与FixedThreadPool相同。 image.png

CachedThreadPool

这是一个会根据需要动态创建新线程的线程池。

  • corePoolSize设置为0，maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE，相当于可以不受限制的创建应急线程。
  • keepAliveTime设置为60L，空闲线程超过60秒后将会被终止。
  • 使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列。如果提交任务的速度高于已有线程处理速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下，会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

CachedThreadPool适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况。 image.png

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。功能与Timer类似，但它的功能更强大、更灵活。 image.png DelayQueue是一个无界队列，因此maximumPoolSize失去意义。

当调用scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时，会向DelayQueue添加一个实现了RunnableScheduledFutur接口的ScheduledFutureTask。 ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量：

  • long time，表示这个任务将要被执行的具体时间。
  • long sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
  • long period，表示任务执行的间隔周期。

image.png DelayQueue封装了一个PriorityQueue，会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序，time小的排在前面，time相同时sequenceNumber小的排在前面（先提交的任务将被先执行）。 image.png

当某个线程执行一个到期任务时，会将任务的time更新为下次执行时间，并重新放回队列中排序。 image.png

2 关闭线程池

ThreadPoolExecutor有两个方法可以关闭线程池：shutdown和shutdownNow。原理都是遍历所有工作线程，逐个调用Thread.interrupt()来中断线程。

共同点：当调用以上任意一个方法后，ThreadPoolExecutor.isShutdown会返回true，且线程池将拒绝提交新的任务。 image.png 它俩的区别在于：

  • shutdown设置线程池状态为SHUTDOWN，只会interruptIdleWorkers，即立即中断等待任务的线程，而对正在执行任务的线程不会中断。即执行中的任务会继续执行，任务队列中剩余任务也会被执行。 image.png image.png
  • shutdownNow设置线程池状态为STOP，会调用interruptIfStarted，即中断所有已经启动的线程，即使线程正在某个执行，并返回任务队列中的剩余任务。 image.png

该使用哪一个方法呢？这取决于任务特性，通常使用shutdown；如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow。

注意：如果任务无法响应，线程可能不会如期终止。如下面的代码：由于runnable1无法响应interrupt，导致线程池始终有活跃线程。

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j(topic = "c.ShutdownThread")
public class ShutdownThread {
  public static final ThreadPoolExecutor EXECUTOR_SERVICE = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(3);

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 启动3个基本线程
    EXECUTOR_SERVICE.prestartAllCoreThreads();
    Runnable runnable1 = () -> {
      //用死循环模拟没有超时时间的 RPC调用
      while (true) {
      }
    };
    
    Runnable runnable2 = () -> {
      try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
      } catch (InterruptedException e) {
        log.info("runnable2 被中断");
        throw new RuntimeException(e);
      }
    };
    EXECUTOR_SERVICE.submit(runnable1);
    EXECUTOR_SERVICE.submit(runnable2);

    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    EXECUTOR_SERVICE.shutdownNow();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    log.info("活跃线程数" + EXECUTOR_SERVICE.getActiveCount());
    if (EXECUTOR_SERVICE.isTerminated()) {
      log.info("线程池终止");
    }
  }
}

image.png

3 合理配置线程池

想要合理配置线程池，得先分析任务特性：

  • 任务性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务
  • 任务优先级：高、中和低。
  • 任务执行时间：长、中和短。
  • 任务依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接、网络连接等。 有以下建议：
  1. 性质不同的任务，可以分开使用不同的线程池。
  2. CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置CPU数+1个线程的线程池；
  3. IO密集型任务，线程并不是一直在占用CPU，应配置尽可能多的线程，如2倍cpu数；
  4. 优先级不同的任务，可以使用PriorityBlockingQueue，它可以让优先级高的任务先执行。
  5. 依赖于其他系统资源的任务，往往CPU空闲时间越长，可以设置更大的线程数。
  6. 建议使用有界队列，且拒绝策略能够给出提示或告警，这将增加线程池的稳定性和预警能力。

4 线程池监控

监控线程池，方便在出现问题时能够快速定位和处理。可调用ThreadPoolExecutor的这些方法：

  • getTaskCount：已提交任务的大致总数；
  • getCompletedTaskCount：线程池已完成的任务数量，是个近似值。
  • getLargestPoolSize：线程池曾经创建过的最大线程数量，判断线程池是否曾经满过。
  • getPoolSize：线程池的线程数量，即ThreadPoolExecutor.workers.size();
  • getActiveCount：获取活动的线程数。 此外，通过继承ThreadPoolExecutor来自定义线程池，重写beforeExecute、afterExecute和terminated方法，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。 image.png
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