Java 多线程之线程池的使用

一、 使用背景

谈到Java多线程，我们很自然的会想到并发，在编写多线程代码时，我们一般会创建多个线程，如果并发的线程数量很多，而且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁的进行线程的创建会降低系统的效率，因为频繁创建和销毁线程是需要时间的。

那么有没有一种办法可以使得线程可以复用，就是执行完一个任务之后，线程不被销毁，而是用来执行其他任务呢？答：线程池

二、 线程池核心类：ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类。下面我们来看一下ThreadPoolExecutor类的具体实现源码。

在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue);

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

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

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

下面解释构造函数里面每个参数的意义：

• corePoolSize：核心池的大小，这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
• maximumPoolSize：线程池最大线程数，这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
• keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；
• unit：参数keepAliveTime的时间单位。
• workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，这个参数的选择也很重要，会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：
  
  ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue;
• threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
• handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

下面说明一下ThreadPoolExecutor的继承关系：

Executor —> ExecutorService —> AbstractExecutorService —> ThreadPoolExecutor

感兴趣的同学可以自行翻阅API文档查阅了解。

三、线程池原理

下面我们要从以下几个方面讲解线程池的原理：

• 1.线程池状态
• 2.任务的执行
• 3.线程池中的线程初始化
• 4.任务缓存队列及排队策略
• 5.任务拒绝策略
• 6.线程池的关闭
• 7.线程池容量的动态调整

1.线程池状态

在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：

volatile int runState;
static final int RUNNING    = 0;
static final int SHUTDOWN   = 1;
static final int STOP       = 2;
static final int TERMINATED = 3;

runState表示当前线程池的状态，它是一个volatile变量用来保证线程之间的可见性；

下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值。

• 当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；
• 如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
• 如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
• 当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。

2.任务的执行

在了解任务执行过程之前，我们先看一下ThreadPoolExecutor的类里面一些重要的成员变量：

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   //线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小、runState等）的改变都要使用这个锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();  //用来存放工作集
private volatile long  keepAliveTime;    //线程存活时间
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;   //是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile int   corePoolSize;     //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列）
private volatile int   maximumPoolSize;   //线程池最大能容忍的线程数
private volatile int   poolSize;       //线程池中当前的线程数
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略
private volatile ThreadFactory threadFactory;   //线程工厂，用来创建线程
private int largestPoolSize;   //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数
private long completedTaskCount;   //用来记录已经执行完毕的任务个数

在ThreadPoolExecutor类中，最核心的任务提交方法是execute()方法，虽然通过submit也可以提交任务，但是实际上submit方法里面最终调用的还是execute()方法，所以只需要研究execute()方法的实现原理即可：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
            reject(command); // is shutdown or saturated
    }
}

到这里，大部分朋友应该对任务提交给线程池之后到被执行的整个过程有了一个基本的了解，下面总结一下：

1）首先，要清楚corePoolSize和maximumPoolSize的含义；

2）其次，要知道Worker是用来起到什么作用的；

3）要知道任务提交给线程池之后的处理策略，这里总结一下主要有4点：

• 如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize，则每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务；
• 如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，则每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中，若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行；若添加失败（一般来说是任务缓存队列已满），则会尝试创建新的线程去执行这个任务；
• 如果当前线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，则会采取任务拒绝策略进行处理；
• 如果线程池中的线程数量大于 corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；如果允许为核心池中的线程设置存活时间，那么核心池中的线程空闲时间超过keepAliveTime，线程也会被终止。

3. 线程池中的线程初始化

默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。

在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：

• prestartCoreThread()：初始化一个核心线程；
• prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心线程

下面是这2个方法的实现：

public boolean prestartCoreThread() {
    return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null
}

public int prestartAllCoreThreads() {
    int n = 0;
    while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null
        ++n;
    return n;
}

注意上面传进去的参数是null，根据第2小节的分析可知如果传进去的参数为null，则最后执行线程会阻塞在getTask方法中的

r = workQueue.take();

即等待任务队列中有任务。

4.任务缓存队列及排队策略

在前面我们多次提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。

workQueue的类型为BlockingQueue，通常可以取下面三种类型：

1）ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；

2）LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；

3）synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

5.任务拒绝策略

当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

6.线程池的关闭

ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：

• shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
• shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务

7.线程池容量的动态调整

ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，

• setCorePoolSize：设置核心池大小
• setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小
  
  当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。

四、 合理配置线程池的大小

一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：

• 如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1
• 如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU

当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。

五、参考资料

1. http://ifeve.com/java-threadpool/
2. http://blog.163.com/among_1985/blog/static/275005232012618849266/
3. http://developer.51cto.com/art/201203/321885.htm
4. http://blog.csdn.net/java2000_wl/article/details/22097059
5. http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/6061229
6. http://blog.csdn.net/xieyuooo/article/details/8718741