Java同步之线程池详解

带着问题阅读

1、什么是池化，池化能带来什么好处

2、如何设计一个资源池

3、Java的线程池如何使用，Java提供了哪些内置线程池

4、线程池使用有哪些注意事项

池化技术

池化思想介绍

池化思想是将重量级资源预先准备好，在使用时可重复使用这些预先准备好的资源。

池化思想的核心概念有：

• 资源创建/销毁开销大
• 提前创建，集中管理
• 重复利用，资源可回收

例如大街上的共享单车，用户扫码开锁，使用完后归还到停放点，下一个用户可以继续使用，共享单车由厂商统一管理，为用户节省了购买单车的开销。

池化技术的应用

常见的池化技术应用有：资源池、连接池、线程池等。

• 资源池

  在各种电商平台大促活动时，平台需要支撑平时几十倍的流量，因此各大平台在需要提前准备大量服务器进行扩容，在活动完毕以后，扩容的服务器资源又白白浪费。将计算资源池化，在业务高峰前进行分配，高峰结束后提供给其他业务或用户使用，即可节省大量消耗，资源池化也是云计算的核心技术之一。

• 连接池

  网络连接的建立和释放也是一个开销较大的过程，提前在服务器之间建立好连接，在需要使用的时候从连接池中获取，使用完毕后归还连接池，以供其他请求使用，以此可节省掉大量的网络连接时间，如数据库连接池、HttpClient连接池。

• 线程池

  线程的建立销毁都涉及到内核态切换，提前创建若干数量的线程提供给客户端复用，可节约大量的CPU消耗以便处理业务逻辑。线程池也是接下来重点要讲的内容。

如何设计一个线程池

设计一个线程池，至少需要提供的核心能力有：

• 线程池容器：用于容纳初始化时预先创建的线程。
• 线程状态管理：管理池内线程的生命周期，记录每个线程当前的可服务状态。
• 线程请求管理：对调用端提供获取和归还线程的接口。
• 线程耗尽策略：提供策略以处理线程耗尽问题，如拒绝服务、扩容线程池、排队等待等。

基于以上角度，我们来分析Java是如何设计线程池功能的。

Java线程池解析

ThreadPoolExecutor使用介绍

大象装冰箱总共分几步

// 1.创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool =
    new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1L, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>());
// 2.提交任务
threadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("task running");
    }
}});
// 3.关闭线程池
threadPool.shutDown();

Java通过ThreadPoolExecutor提供线程池的实现，如示例代码，初始化一个容量为1的线程池、然后提交任务、最后关闭线程池。

ThreadPoolExecutor的核心方法主要有

• 构造函数：ThreadPoolExecutor提供了多个构造函数，以下对基础构造函数进行说明。

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

  • corePoolSize：线程池的核心线程数。池内线程数小于corePoolSize时，线程池会创建新线程执行任务。

  • maximumPoolSize：线程池的最大线程数。池内线程数大于corePoolSize且workQueue任务等待队列已满时，线程池会创建新线程执行队列中的任务，直到线程数达到maximumPoolSize为止。

  • keepAliveTime：非核心线程的存活时长。池内超过corePoolSize数量的线程可存活的时长。

  • unit：非核心线程存活时长单位。与keepAliveTime取值配合，如示例代码表示1分钟。

  • workQueue：任务提交队列。当无空闲核心线程时，存储待执行任务。

    类型	作用
    ArrayBlockingQueue	数组结构的有界阻塞队列
    LinkedBlockingQueue	链表结构的阻塞队列，可设定是否有界
    SynchronousQueue	不存储元素的阻塞队列，直接将任务提交给线程池执行
    PriorityBlockingQueue	支持优先级的无界阻塞队列
    DelayQueue	支持延时执行的无界阻塞队列

  • threadFactory：线程工厂。用于创建线程对象。

  • handler：拒绝策略。线程池线程数量达到maximumPoolSize且workQueue已满时的处理策略。

    类型	作用
    AbortPolicy	拒绝并抛出异常。默认
    CallerRunsPolicy	由提交任务的线程执行任务
    DiscardOldestPolicy	抛弃队列头部任务
    DiscardPolicy	抛弃该任务

• 执行函数：execute和submit，主要分别用于执行Runnable和Callable。

  // 提交Runnable
  void execute(Runnable command);
  
  // 提交Callable并返回Future
  <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
  
  // 提交Runnable，执行结束后Future.get会返回result
  <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
  
  // 提交Runnable，执行结束后Future.get会返回null
  Future<?> submit(Runnable task);
  

• 停止函数：shutDown和shutDownNow。

  // 不再接收新任务，等待剩余任务执行完毕后停止线程池
  void shutdown();
  
  // 不再接收新任务，并尝试中断执行中的任务，返回还在等待队列中的任务列表
  List<Runnable> shutdownNow();
  

内置线程池使用

To be useful across a wide range of contexts, this class provieds many adjustable parameters and extensibility hooks. However, programmers are urged to use the more convenient {@link Executors} factory methods {@link Executors#newCachedThreadPool} (unbounded thread poll, with automatic thread reclamation), {@link Executors#newFixedThreadPool} (fixed size thread pool) and {@link Executors#newSingleThreadExecutor}(single background thread), that preconfigure settings for the most common usage scenarios.

由于ThreadPoolExecutor参数复杂，Java提供了三种内置线程池newCachedThreadPool、newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor应对大多数场景。

• Executors.newCachedThreadPool()无界线程池，核心线程池大小为0，最大为Integer.MAX_VALUE，因此严格来讲并不算无界。采用SynchronousQueue作workQueue，意味着任务不会被阻塞保存在队列，而是直接递交到线程池，如线程池无可用线程，则创建新线程执行。

  public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
      return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                                    new SynchronousQueue<Runnable>());
  }
  

• Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)固定大小线程池，其中coreSize和maxSize相等，且过期时间为0，表示经过一定数量任务提交后，线程池将始终维持在nThreads数量大小，不会新增也不会回收线程。

  public static ExecutorService new FixedThreadPool(int nThreads) {
      return new ThreadPoolExecutor(nThreads nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
  }
  

• Executors.newSingleThreadExecutor()单线程池，参数与fixedThreadPool类似，只是将数量限制在1，单线程池主要避免重复创建销毁线程对象，也可用于串行化执行任务。不同与其他线程池，单线程池采用FinallizableDelegatedExecutorService对ThreadPoolExecutor对象进行包装，感兴趣的同学可以看下源码，其方法实现仅仅是对被包装对象方法的直接调用。包装对象主要用于避免用户将线程池强制转换为ThreadPoolExecutor来修改线程池大小。

  public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
      return new FinallizableDelegatedExecutorService(
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockQueue<Runnable>()))
      );
  }
  

ThreadPoolExecutor解析

整体设计

ThreadPoolExecutor基于ExecutorService接口实现提交任务，未采取常规资源池获取/归还资源的形式，整个线程池和线程的生命周期都由ThreadPoolExecutor进行管理，线程对象不对外暴露；ThreadPoolExecutor的任务管理机制类似于生产者消费者模型，其内部维护一个任务队列和消费者，一般情况下，任务被提交到队列中，消费线程从队列中拉取任务并将其执行。

线程池生命周期

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; } //计算当前运行状态
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }  //计算当前线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }   //通过状态和线程数生成ctl

TreadPoolExecutor通过ctl维护线程池的状态和线程数量，其中高3位存储运行状态，低29位存储线程数量。

位运算操作推荐参考第三篇文章。

线程池设定了RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING和TERMINATED五种状态，其转移图如下：

在这5种状态中，只有RUNNING时线程池可接收新任务，其余4种状态在调用shutDown或shutDownNow后触发转换，且在这4种状态时，线程池均不再接收新任务。

任务管理解析

// 用于存放提交任务的队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

// 用于保存池内的工作线程，Java将Thread包装成Worker存储
private final HashSet<Worder> workers = new HashSet<Worker>();

ThreadPoolExecutor主要通过workQueue和workers两个字段用于管理和执行任务。

线程池任务执行流程如图，结合ThreadPoolExecutor.execute源码，对任务执行流程进行说明：

• 当任务提交到线程池时，如果当前线程数量小于核心线程数，则会将为该任务直接创建一个worker并将任务交由worker执行。

  if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
      // 创建新worker执行任务，true表示核心线程
      if (addWorker(command, true))
          return;
      c = ctl.get();
  }
  

• 当已经达到核心线程数后，任务会提交到队列保存；

  // 放入workQueue队列
  if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
      int recheck = ctl.get();
      // 这里采用double check再次检测线程池状态
      if (! isRunning(recheck) && remove(command))
          reject(command);
      // 避免加入队列后，所有worker都已被回收无可用线程
      else if (workerCountOf(recheck) == 0)
          addWorker(null, false);
  }
  

• 如果队列已满，则依据最大线程数量创建新worker执行。如果新增worker失败，则依据设定策略拒绝任务。

  // 接上，放入队列失败
  // 添加新worker执行任务，false表示非核心线程
  else if (!addWorker(command, false))
      // 如添加失败，执行拒绝策略
      reject(command);
  

woker对象

ThreadPoolExecutor没有直接使用Thread记录线程，而是定义了worker用于包装线程对象。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
    ...
    final Thread thread;

    Runnable firstTask;

    Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
        this.firstTask = firstTask;
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }

    // worker对象被创建后就会执行
    public void run() {
        runWorker(this);
    }
}

worker对象通过addWorker方法创建，一般会为其指定一个初始任务firstTask，当worker执行完毕以后，worker会从阻塞队列中读取任务，如果没有任务，则该worker会陷入阻塞状态给出worker的核心逻辑代码：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    ...
    // 指定firstTask，可能为null
    w = new Worker(firstTask);
    ...
    if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
            throw new IllegalThreadStateException();
        workers.add(w);
        workerAdded = true;
    }
    ...
    // 执行新添加的worker
    if (workerAdded) {
        t.start();
        workerStarted = true;
    }
}

final void runWorker(Worker w) {
    // 等待workQueue的任务
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
    	...
    }
}

private Runnable getTask() {
    ...
    for (;;) {
        ...
        // 如果是普通工作线程，则根据线程存活时间读取阻塞队列
        // 如果是核心工作线程，则直接陷入阻塞状态，等待workQueue获取任务
        Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
        ...
    }
}

如下图，任务提交后触发addWorker创建worker对象，该对象执行任务完毕后，则循环获取队列中任务等待执行。

Java线程池实践建议

不建议使用Exectuors

线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。《阿里巴巴开发手册》

虽然Java推荐开发者直接使用Executors提供的线程池，但实际开发中通常不使用。主要考虑问题有：

• 潜在的OOM问题

  CachedThreadPool将最大数量设置为Integer.MAX_VALUE，如果一直提交任务，可能造成Thread对象过多引起OOM。FixedThreadPool和SingleThreadPoo的队列LinkedBlockingQueue无容量限制，阻塞任务过多也可能造成OOM。

• 线程问题定位不便

  由于未指定ThreadFactory，线程名称默认为pool-poolNumber-thread-thredNumber，线程出现问题后不便定位具体线程池。

• 线程池分散

  通常在完善的项目中，由于线程是重量资源，因此线程池由统一模块管理，重复创建线程池容易造成资源分散，难以管理。

线程池大小设置

通常按照IO繁忙型和CPU繁忙型任务分别采用以下两个普遍公式。

\[N_{thread} = N_{cpu} * 2
\\
N_{thread} = N_{cpu} + 1
\]

在理论场景中，如一个任务IO耗时40ms，CPU耗时10ms，那么在IO处理期间，CPU是空闲的，此时还可以处理4个任务(40/10)，因此理论上可以按照IO和CPU的时间消耗比设定线程池大小。

\[Ratio = (Time_{io} + Time_{cpu}) / Time_{cpu}
\\
N_{thread} = (Ratio + 1) * N_{cpu}
\]

《JAVA并发编程实践》中还考虑数量乘以目标CPU的利用率

在实际场景中，我们通常无法准确测算IO和CPU的耗时占比，并且随着流量变化，任务的耗时占比也不能固定。因此可根据业务需求，开设线程池运维接口，根据线上指标动态调整线程池参数。

推荐参考第二篇美团线程池应用

线程池监控

ThreadPoolExecutor提供以下方法监控线程池：

• getTaskCount() 返回被调度过的任务数量

• getCompletedTaskCount() 返回完成的任务数量

• getPoolSize() 返回当前线程池线程数量

• getActiveCount() 返回活跃线程数量

• getQueue()获取队列，一般用于监控阻塞任务数量和队列空间大小

参考

• 《Java并发编程实践》

• Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践

• 为什么要使用位运算表示线程池状态？