线程池ThreadPoolExecutor简介

1 前言

线程池是并发编程中一个重要的概念和技术。大多数异步或并发执行任务都会用到线程池。线程池，正如其名，它是有一定数量的线程的池子，它会执行被提交过来的任务，执行完一个任务后不会马上结束，它们会继续等待或执行新的任务。线程池有两个重要的概念一个是任务队列,另一个是工作者线程 。任务队列是存放任务的容器，工作者线程会依次不断地到队列中获取任务并执行。

线程池有这些优点：

① 减少系统资源的消耗。它通过对线程的重用，避免不断创建新线程导致的系统开销。任务过多时，通过排队避免创建过多的线程，减少系统资源的消耗与竞争，确保任务有序完成。
②提高响应速度。当任务到达时，任务无需等待线程的创建完成，它得利用已有的线程立即执行任务。
③提高线程的可控性。线程是稀缺资源，不能无限制地创建，线程池它对线程能统一分配、调度和销毁。

线程池直接继承于抽象类AbstractExecutorService，AbstractExecutorService是对ExecutorSerivice接口的默认实现，而ExecutorService又扩展了Executor接口。

2 处理任务的流程

线程池对任务的处理有它自己定义的流程，它对任务的处理流程如下：

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(线程池在开始阶段会尽快让池中的线程数达到设定的核心线程数)。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经满。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(尽量先往阻塞队列中放)。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(工作队列放不下了，只有创建新线程来执行任务)。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

其基本理念是：①在线程池启动阶段，尽快让池中的线程数达到设定的核心线程数，这里主要从能利用已有线程立即执行之后提交的新任务、避免创建线程而等待的角度考虑；② 在核心线程池满了之后，尽可能向阻塞队列中放入任务，这里是从减少资源消耗的角度考虑，毕竟线程是稀缺资源、不能无限制地创建；③在阻塞队列已满的情况下，已经无法再往队列中放入任务了，此时只能创建新的线程去执行任务，虽然创建线程会消耗系统资源，但是总不能不执行提交的任务；④而在最坏的情况下，线程池中的线程数也达到了设定的最大线程数，此时已无法直接执行任务了，只能按照指定的饱和策略来拒绝任务。

3 线程池的配置

ThreadPoolExecutor有4个构造方法，分别需要若干个参数，我们主要通过构造方法参数去配置线程池。我们从其参数个数最多的构造方法看起，其他的构造方法都是直接调用这个构造方法来实现的。

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

这个构造方法有7个参数：

1) corePoolSize : 核心线程数. 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。另外还可以调用setCorePoolSize(int)方法来设置核心线程数。

默认情况下，核心线程不会从预告创建，只有有任务时才创建；核心线程不会因空闲而终止。但以下几个API可以改变这种默认方式。

int prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程。

boolean prestartCoreThread()方法，创建一个核心线程，若所有核心线程已创建则返回false.

allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，若参数是true,核心线程会因空闲和终止(和其他非核心线程一样，使用keepAliveTime参数作为最大空闲存活时间)。

2) maximumPoolSize：线程池可创建的最大线程数。如果队列已满，线程池将创建新的线程执行任务直到达到这个最大线程数。若是使用无界阻塞队列，队列永远也不会满，它不会创建新线程，它会一直往队列中放任务，其结果是一些任务长时间等待、难以被执行。另外还可以调用setMaximumPoolSize(int)方法来设置最大线程数

3) keepAliveTime：空闲线程存活时间，设置此参数的目的是释放多余的线程资源。它表示线程个数大于corePoolSize时，其他额外空闲线程的存活时间。也就是说，一个非核心线程在空闲等待新任务时，会有一个最长等待时间，若等待时间超过了keepAliveTime，这个线程就会被销毁。若是将此参数设为0，那么所有的线程将一直不会被销毁。若任务较多且任务执行时间较短，可适当增大此参数，提高线程的利用率，避免反复创建新线程。另外调用setKeepAliveTime(long , TimeUnit )方法也可设置空闲线程存活时间。

4) unit ：参数keepAliveTime的时间单位，可以是“DAYS”(天) 、”HOURS“(时)、“MINUTES”(分)、“SECONDS”(秒)、”MILLISECONDS“(毫秒)、”NANOSECONDS“(纳秒)等

5) workQueue：工作队列, 用于保存等待执行的任务的阻塞队列。之前的文章并发编程中的阻塞队列概述有对阻塞队列做过介绍，这里只对进行SynchronousQueue特别说明。SynchronousQueue不存储元素的阻塞队列，当尝试排队时，只有正好有空闲线程正在等待接受任务时才会入队成功，否则总是创建新线程执行任务，直到线程数达到maximumPoolSize ，其吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue。

6) threadFactory ：线程工厂，主要用于为创建出来的线程设置优先级、取个有意义的名字、是否守护线程等。另外还可调用setThreadFactory(ThreadFactory) 方法设置线程工厂。ThreadFactory是一个接口，它的定义是：

public interface ThreadFactory {
    Thread newThread(Runnable r);
}

ThreadPoolExecutor的默认实现是Executors工具类的静态内部DefaultThreadFactory，这个线程工厂主要是创建一个线程，设置一个名称，设置daemon为false,将优先级设为标准默认优先级，线程名称的格式：”pool-线程池编号-thread-线程编号“。

7) handler：拒绝策略. 当线程池和队列都满了时，表示线程池已经饱和，此时应采取一些特殊的手段来处理这个新任务。反过来说，拒绝策略只有在队列有界且maximumPoolSize有限大时才会被触发。若队列无界，任务一直往队列中放置，任务一直处于排队中，难以得到执行。若队列有有界、maximumPoolSize无限大，则会创建大量的线程，占满CPU和内存，可能导致程序或系统崩溃。

默认情况下线程池会使用AbortPolicy策略，此策略会直接抛出异常。线程池内置有4种拒绝策略，这4种拒绝策略都是ThreadPoolExecutor的静态内部类。

CallerRunsPolicy, 使用任务提交者的所在线程执行任务；
AbortPolicy，直接抛出异常，这是默认的拒绝策略；
DiscardPolicy, 不执行任务，将任务丢弃；
DiscardOldestPolicy,丢弃队列中最近的任务，然后执行当前任务。

以上4个类都实现了RejectedExecutionHandler接口,当线程无法接受新任务时，调用拒绝策略的rejectedExecution方法进行相应处理。

public interface RejectedExecutionHandler {
   void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

拒绝策略除了在构造方法中指定外，还可调用线程池的setRejectedExecutionHandler方法进行设置。

4 提交任务

1）线程池有两组提交单任务的方法

execute(Runnable)用于提交不需要结果的任务，因此无法确定任务是否完成。而submit系列方法， submit(Runnable, T) 、submit(Callable<T>) 、submit(Runnable)都用于提交需要结果的任务。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(使用“submit(Runnable)”提交任务，get()方法最终返回null)，而使用get(long,TimeUnit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，此时返回可能任务未完成。

2）线程池有两组批量提交任务组的方法 invokeAll(Collection)方法用于批量提交任务、等待所有任务完成成后，返回Future的List集合。invokeAll(Collection, long, TimeUnit)方法是超时版本的 invokeAll(Collection)，需要指定超时时间，若超时后还有任务还未完成，这些未完成的任务就会被取消。

invokeAny(Collection)也用于批量提交任务，但只要有一个任务正常完成(没抛出异常)后，它就返回此任务的结果；在正常返回或异常抛出返回后，其他任务则会被取消(最多只有一个任务能正常执行完成)。invokeAny(Collection, long , TimeUnit )是超时版本的invokeAny(Collection)，它对任务的执行耗时做了限制，如果在限定时间内有一任务正常(没抛出异常)完成，就返回此任务的结果 ,其他将任务会被取消;如果没有任务能在限时内成功完成返回，就抛出 TimeoutException; 没有任务正常成功返回（可能是因发生某种异常而返回），将抛出ExecutionException 。

5 关闭线程池

shutdown()和shutdownNow()方法都能关闭线程池，它们的处理逻辑是：遍历线程池中的工作者线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，若某些任务不能响应中断，那么它们就无法终止。但两者在细节上有一些区别，shutdownNow()首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止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，而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。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminated()方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，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。

6 合理配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析。

任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
任务的优先级：高、中和低。
任务的执行时间：长、中和短。
任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置N_cpu +1个线程的线程池。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2*N_cpu 。混合型的任务，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的时间相差不是太大，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。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行(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)

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。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

尽可能使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，如果当时我们设置成无界队列，队列永不可能满，那么线程池的队列就会越来越多，有可能会导致内存溢出、程序崩溃。

7 状态监控

为了监控线程池，我们可以使用一些方法获取线程池的状态信息。

getTaskCount(): 计划要执行的任务总数

getCompletedTaskCount(): 线程池已完成的任务数量

getLargestPoolSize(): 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。

getActiveCount() :当前活动(正在执行任务)的工作线程数

getPoolSize()：当前线程池中的工作线程总数

除此之外，线程池还提供了3个空方法，beforeExecute方法在执行一个任务前被调用，afterExecute方法在一个任务完成后被调用，terminated()方法在线程池停止时被调用。

我们可继承ThreadPoolExecutor来实现自己的线程池，并以此为基础重写这3个方法来实现自己的监控逻辑。

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

afterExecute方法注释上写了一个这样的使用示例，它能打印导致任务非正常完成的异常信息。

 class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
   // ...
   protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
     super.afterExecute(r, t);
     if (t == null && r instanceof Future<?>) {
       try {
         Object result = ((Future<?>) r).get();
       } catch (CancellationException ce) {
           t = ce;
       } catch (ExecutionException ee) {
           t = ee.getCause();
       } catch (InterruptedException ie) {
           //在捕获中断异常后，中断标志将设为false ,这里调用interrupt恢复中断状态
           Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset 
       }
     }
     if (t != null)
       System.out.println(t);
   }
 }

参考：《Java并发编程的艺术》、《Java的逻辑》

posted @ 2020-03-24 23:35 蜀中孤鹰阅读(1377) 评论(0) 编辑收藏举报

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