多线程编程学习十一(ThreadPoolExecutor 详解).

红太狼 2020-11-07 02:19 507阅读 0赞

## 一、ThreadPoolExecutor 参数说明 ##

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

*  corePoolSize：核心线程池的大小。当提交一个任务到线程池时，核心线程池会创建一个核心线程来执行任务，即使其他核心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核心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，核心线程池会提前创建并启动所有核心线程。
 *  workQueue：任务队列。当核心线程池中没有线程时，所提交的任务会被暂存在队列中。Java 提供了多种[阻塞队列][Link 1]。
 *  maximumPoolSize：线程池允许创建的最大线程数。如果队列也满了，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空闲线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列则这个参数不起作用。
 *  keepAliveTime：当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时，keepAliveTime 为多余的空闲线程等待新任务的最长时间，超过这个时间后多余的线程将被终止。所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列则这个参数不起作用。
 *  TimeUnit：线程活动保持时间的单位。
 *  threadFactory：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符合业务的名字。
    
        // 依赖 guava new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("xx-task-%d").build();
 *  handler：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。Java 提供了以下4种策略：
    
     *  AbortPolicy：默认。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。

**tips：** 一般我们称核心线程池中的线程为核心线程，这部分线程不会被回收；超过任务队列后，创建的线程为空闲线程，这部分线程会被回收（回收时间即 keepAliveTime）

## 二、常见的 ThreadPoolExecutor 介绍 ##

Executors 是创建 ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor 的工厂类。

Java 提供了多种类型的 ThreadPoolExecutor，比较常见的有 FixedThreadPool、SingleThreadExecutor、CachedThreadPool等。

### FixedThreadPool ###

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

FixedThreadPool 被称为可重用固定线程数的线程池。可以看到 corePoolSize 和 maximumPoolSize 都被设置成了 nThreads；keepAliveTime设置为0L，意味着多余的空闲线程会被立即终止；使用了阻塞队列 LinkedBlockingQueue 作为线程的工作队列（队列的容量为 Integer.MAX\_VALUE）。

FixedThreadPool 所存在的问题是，由于队列的容量为 Integer.MAX\_VALUE，基本可以认为是无界的，所以 maximumPoolSize 和 keepAliveTime 参数都不会生效，饱和拒绝策略也不会执行，会造成任务大量堆积在阻塞队列中。

FixedThreadPool 适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制线程数量的应用场景。

### SingleThreadExecutor ###

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

SingleThreadExecutor 是使用单个线程的线程池。可以看到 corePoolSize 和 maximumPoolSize 被设置为1，其他参数与 FixedThreadPool 相同，所以所带来的风险也和 FixedThreadPool 一致，就不赘述了。

SingleThreadExecutor 适用于需要保证顺序的执行各个任务。

### CachedThreadPool ###

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

CachedThreadPool 是一个会根据需要创建新线程的线程池。可以看到 corePoolSize 被设置为 0，所以创建的线程都为空闲线程；maximumPoolSize 被设置为 Integer.MAX\_VALUE（基本可认为无界），意味着可以创建无限数量的空闲线程；keepAliveTime 设置为60L，意味着空闲线程等待新任务的最长时间为60秒；使用没有容量的 SynchronousQueue 作为线程池的工作队列。

CachedThreadPool 所存在的问题是， 如果主线程提交任务的速度高于maximumPool 中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool 会不断创建新线程。极端情况下，CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

CachedThreadPool 适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。

## 三、自建 ThreadPoolExecutor 线程池 ##

鉴于上面提到的风险，我们更提倡使用 ThreadPoolExecutor 去创建线程池，而不用 Executors 工厂去创建。

以下是一个 ThreadPoolExecutor 创建线程池的 Demo 实例：

public class Pool {
    
        static ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("pool-task-%d").build();
        static ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2,
                200, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                threadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            // 1. 无返回值的任务执行 -> Runnable
            executor.execute(() -> System.out.println("Hello World"));
            // 2. 有返回值的任务执行 -> Callable
            Future<String> future = executor.submit(() -> "Hello World");
            // get 方法会阻塞线程执行等待返回结果
            String result = future.get();
            System.out.println(result);
    
            // 3. 监控线程池
            monitor();
    
            // 4. 关闭线程池
            shutdownAndAwaitTermination();
    
            monitor();
        }
    
        private static void monitor() {
            ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) Pool.executor;
            System.out.println("【线程池任务】线程池中曾经创建过的最大线程数：" + threadPoolExecutor.getLargestPoolSize());
            System.out.println("【线程池任务】线程池中线程数：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
            System.out.println("【线程池任务】线程池中活动的线程数：" + threadPoolExecutor.getActiveCount());
            System.out.println("【线程池任务】队列中等待执行的任务数：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
            System.out.println("【线程池任务】线程池已执行完任务数：" + threadPoolExecutor.getCompletedTaskCount());
        }
    
        /**
         * 关闭线程池
         * 1. shutdown、shutdownNow 的原理都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。
         * 2. shutdownNow：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。
         * 3. shutdown：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。
         */
        private static void shutdownAndAwaitTermination() {
            // 禁止提交新任务
            executor.shutdown();
            try {
                // 等待现有任务终止
                if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                    // 取消当前正在执行的任务
                    executor.shutdownNow();
                    // 等待一段时间让任务响应被取消
                    if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                        System.err.println("Pool did not terminate");
                    }
                }
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 如果当前线程也中断，则取消
                executor.shutdownNow();
                // 保留中断状态
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }

创建线程池需要注意以下几点：

1.  CPU 密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置 Ncpu+1 个线程。
2.  IO 密集型任务（数据库读写等）应配置尽可能多的线程，如配置 Ncpu\*2 个线程。
3.  优先级不同的任务可以使用优先级队列 PriorityBlockingQueue 来处理。
4.  建议使用有界队列。可以避免创建数量非常多的线程，甚至拖垮系统。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儿，比如几千。

## 四、ScheduledThreadPoolExecutor ##

ScheduledThreadPoolExecutor 继承自 ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
            super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
        }

ScheduledThreadPoolExecutor 的功能与 [Timer][] 类似，但功能更强大、更灵活。Timer 对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor 可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

Java 提供了多种类型的 ScheduledThreadPoolExecutor ，可以通过 Executors 创建，比较常见的有 ScheduledThreadPool、SingleThreadScheduledExecutor 等。适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程数量的应用场景。

public class ScheduleTaskTest {
    
        static ThreadFactory threadFactory = new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").build();
        static ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(5, threadFactory);
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            // 1. 延迟 3 秒后执行 Runnable 方法
            scheduledExecutorService.schedule(() -> System.out.println("Hello World"), 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    
            // 2. 延迟 3 秒后执行 Callable 方法
            ScheduledFuture<String> scheduledFuture = scheduledExecutorService.schedule(() -> "Hello ScheduledFuture", 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
            System.out.println(scheduledFuture.get());
    
            // 3. 延迟 1 秒后开始每隔 3 秒周期执行。
            //    如果中间任务遇到异常，则禁止后续执行。
            //    固定的频率来执行某项任务，它不受任务执行时间的影响。到时间，就执行。
            scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> System.out.println("Hello ScheduleAtFixedRate"), 1, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    
            // 4. 延迟 1 秒后，每个任务结束延迟 3 秒后再执行下个任务。
            //    如果中间任务遇到异常，则禁止后续执行。
            //    受任务执行时间的影响，等待任务执行结束后才开始计算延迟。
            scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(() -> System.out.println("Hello ScheduleWithFixedDelay"), 1, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
    }

ScheduledThreadPoolExecutor 的执行步骤大抵如下：

1.  当调用 ScheduledThreadPoolExecutor 的 scheduleAtFixedRate() 方法或者 scheduleWithFixedDelay()方 法时，会向 DelayedWorkQueue 队列添加 ScheduledFutureTask 任务。
2.  线程池中的线程从 DelayedWorkQueue队列中获取执行时间已到达的 ScheduledFutureTask，然后执行任务。
3.  线程修改 ScheduledFutureTask 任务的执行时间为下次将要被执行的时间。
4.  线程把修改后的 ScheduledFutureTask 重新放回队列。