Java线程池的分析和使用

川长思鸟来 2022-02-09 12:27 173阅读 0赞

## 1. 引言 ##

合理利用线程池能够带来三个好处。第一：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。第二：提高响应速度。当任务到达 时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，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的分配，调优和监控。但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。

## 2.线程池的使用 ##

## 线程池的创建 ##

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

创建一个线程池需要输入几个参数：

*  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。

1.  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。
2.  LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出） 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。
3.  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，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
4.  PriorityBlockingQueue：一个具有优先级得无限阻塞队列。

*  maximumPoolSize（线程池最大大小）：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。值得注意的是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，Debug和定位问题时非常又帮助。

RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的 新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。以下是JDK1.5提供的四种策略。n AbortPolicy：直接抛出异常。

1.  CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
2.  DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
3.  DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
4.  当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。

*  keepAliveTime（线程活动保持时间）：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
 *  TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

向线程池提交任务

我们可以使用execute提交的任务，但是execute方法没有返回值，所以无法判断任务知否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

我们也可以使用submit 方法来提交任务，它会返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功，通过 future的get方法来获取返回值，get方法会阻塞住直到任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回，这时有可能任务没有执行完。

## 线程池的关闭 ##

我们可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池，但是它们的实现原理不同，shutdown的原理是只是将线 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。shutdownNow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。shutdownNow会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。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个，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 isTerminaed方法会返回true。至于我们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来关 闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow。

## 3. 线程池的分析 ##

流程分析：线程池的主要工作流程如下图：

从上图我们可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

1.  首先线程池判断基本线程池是否已满？没满，创建一个工作线程来执行任务。满了，则进入下个流程。
2.  其次线程池判断工作队列是否已满？没满，则将新提交的任务存储在工作队列里。满了，则进入下个流程。
3.  最后线程池判断整个线程池是否已满？没满，则创建一个新的工作线程来执行任务，满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

源码分析。上面的流程分析让我们很直观的了解的线程池的工作原理，让我们再通过源代码来看看是如何实现的。线程池执行任务的方法如下：

<table style="font-family:'Helvetica Neue', Helvetica, 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', '微软雅黑', Arial, sans-serif;font-size:16px;border-collapse:collapse;color:rgb(51,51,51);"> 
 <tbody style="border:0px;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;background:none;"> 
  <tr style="border:0px;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;background:none;"> 
   <td style="background:none;border:1px solid rgb(192,192,192);border-collapse:collapse;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;color:rgb(175,175,175);"> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> 
    <div>
      13 
    </div> 
    <div>
      14 
    </div> 
    <div>
      15 
    </div> 
    <div>
      16 
    </div> 
    <div>
      17 
    </div> 
    <div>
      18 
    </div> 
    <div>
      19 
    </div> 
    <div>
      20 
    </div> 
    <div>
      21 
    </div> 
    <div>
      22 
    </div> 
    <div>
      23 
    </div> 
    <div>
      24 
    </div> 
    <div>
      25 
    </div> 
    <div>
      26 
    </div> 
    <div>
      27 
    </div> 
    <div>
      28 
    </div> 
    <div>
      29 
    </div> 
    <div>
      30 
    </div> 
    <div>
      31 
    </div> </td> 
   <td style="background:none;border:1px solid rgb(192,192,192);border-collapse:collapse;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;"> 
    <div>
      public&nbsp;void&nbsp;execute(Runnable command) { 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      if&nbsp;(command == null) 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      throw&nbsp;new&nbsp;NullPointerException(); 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      //如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      if&nbsp;(poolSize &gt;= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) { 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      //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。 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      if&nbsp;(runState == RUNNING &amp;&amp; workQueue.offer(command)) { 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      if&nbsp;(runState != RUNNING || poolSize == 0) 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      ensureQueuedTaskHandled(command); 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      } 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      //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。 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      else&nbsp;if&nbsp;(!addIfUnderMaximumPoolSize(command)) 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      //抛出RejectedExecutionException异常 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      reject(command); // is shutdown or saturated 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      } 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      } 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

工作线程。线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker，Worker在执行完任务后，还会无限循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker的run方法里看到这点：

<table style="font-family:'Helvetica Neue', Helvetica, 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', '微软雅黑', Arial, sans-serif;font-size:16px;border-collapse:collapse;color:rgb(51,51,51);"> 
 <tbody style="border:0px;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;background:none;"> 
  <tr style="border:0px;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;background:none;"> 
   <td style="background:none;border:1px solid rgb(192,192,192);border-collapse:collapse;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;color:rgb(175,175,175);"> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> 
    <div>
      13 
    </div> 
    <div>
      14 
    </div> 
    <div>
      15 
    </div> 
    <div>
      16 
    </div> 
    <div>
      17 
    </div> 
    <div>
      18 
    </div> 
    <div>
      19 
    </div> 
    <div>
      20 
    </div> 
    <div>
      21 
    </div> 
    <div>
      22 
    </div> 
    <div>
      23 
    </div> </td> 
   <td style="background:none;border:1px solid rgb(192,192,192);border-collapse:collapse;line-height:1.1em;vertical-align:baseline;"> 
    <div>
      public&nbsp;void&nbsp;run() { 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;try&nbsp;{ 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;Runnable task = firstTask; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;firstTask = null; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;while&nbsp;(task != null&nbsp;|| (task = getTask()) != null) { 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;runTask(task); 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;task = null; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;} 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;} finally&nbsp;{ 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;workerDone(this); 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;} 
    </div> 
    <div>
      &nbsp; 
    </div> 
    <div>
      } 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 4. 合理的配置线程池 ##

要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来进行分析：

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

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于需要等待IO操作，线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2\*Ncpu。 混合型的任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个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率要 高于串行执行的吞吐率，如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。我们可以通过 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得到执行，需要注意的是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，或者也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，如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用CPU。

建议使用有界队列，有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点，比如几千。有一次我们组使用的后台任务线程池的队 列和线程池全满了，不断的抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据 库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞住，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满 内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然我们的系统所有的任务是用的单独的服务器部署的，而我们使用不同规模的线程池跑不同类型的任 务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务。

## 5. 线程池的监控 ##

通过线程池提供的参数进行监控。线程池里有一些属性在监控线程池的时候可以使用

*  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满过。如等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满了。
 *  getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，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。通过继承线程池并重写线程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，我们可以在任务执行前，执行后和线程池关闭前干一些事情。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。如：

本文转自 sshpp 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/12902932/1947532，如需转载请自行联系原作者