《Java并发编程的艺术》 第9章 Java中的线程池

第9章 Java中的线程池

在开发过程中，合理地使用线程池能带来3个好处：

1. 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。
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，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

9.1 线程池的实现原理

　　当提交一个新任务到线程池时，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里。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，则交给饱和策略来处理这个任务。

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

1. 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，执行这一步骤需要获取全局锁）。
2. 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
3. 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，执行这一步骤需要获取全局锁）。
4. 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。

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
        // 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
        // 如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
        // 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，
        // 则创建一个线程执行任务。
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
        // 抛出RejectedExecutionException异常
            reject(command); // is shutdown or saturated
        }
}

线程池中的线程执行任务分两种情况：

1. 在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
2. 这个线程执行完上当前任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

9.2 线程池的使用

9.2.1 线程池的创建

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

• corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
• runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
  • 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。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
  • 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Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
  • PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。
• 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，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
• ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂。可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字：new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();
• RejectedExecutionHandler（饱和策略）：即当线程和队列都已经满了的时候，应该采取什么样的策略来处理新提交的任务。默认策略是AbortPolicy（抛出异常），其他的策略还有：CallerRunsPolicy（只用调用者所在线程来运行任务），DiscardOldestPolicy（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）
  • AbortPolicy：直接抛出异常。
  • CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
  • DiscardOldestPolicy：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。

9.2.2 向线程池提交任务

　　可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为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。

//execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例
threadsPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
    // TODO Auto-generated method stub
    }
});

• 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，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回这时候有可能任务没有执行完。

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
    try {
        Object s = future.get();
    } catch (InterruptedException e) {
        // 处理中断异常
    } catch (ExecutionException e) {
        // 处理无法执行任务异常
    } finally {
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

9.2.3 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：遍历线程池中的工作线程，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。但它们存在一定区别：

• shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试通知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；
• shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

　　只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutDown方法就会返回true。当所有任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这是调用isTerminaed方法会返回true。

　　通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

9.2.4 合理地配置线程池

1、任务的性质：

• CPU密集型任务：尽可能小的线程，如配置N_cpu +1个线程的线程池。
• IO密集型任务：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*N_cpu
• 混合型任务：如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。

2、任务的优先级：高、中和低。

• 优先级不同的任务可以使用优先队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。【注】：如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

3、任务的执行时间：长、中和短。

• 执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

4、任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

• 依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

9.2.5 线程池的监控

在监控线程池的时候可以使用以下属性：

• 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量，小于或等于taskCount。
• 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曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
• getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
• getActiveCount：获取活动的线程数。

　　通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。
这几个方法在线程池里是空方法。

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }