Java多线程与线程池技术

一、序言

Java多线程编程线程池被广泛使用，甚至成为了标配。

线程池本质是池化技术的应用，和连接池类似，创建连接与关闭连接属于耗时操作，创建线程与销毁线程也属于重操作，为了提高效率，先提前创建好一批线程，当有需要使用线程时从线程池取出，用完后放回线程池，这样避免了频繁创建与销毁线程。

// 任务
Runnable runnable = () -> System.out.println(Thread.currentThread().getId());

在应用中优先选用线程池执行异步任务，根据不同的场景选用不同的线程池，提高异步任务执行效率。

1、普通执行
new Thread(runnable).start();
2、线程池执行
Executors.newSingleThreadExecutor().execute(runnable)

二、线程池基础

（一）核心参数

1、核心参数

线程池的核心参数决定了池的类型，进而决定了池的特性。

参数 解释 行为
corePoolSize 核心线程数 池中长期维护的线程数量，不主动回收
maximumPoolSize 最大线程数 最大线程数大于等于核心线程数
keepAliveTime 线程最大空闲时间 非核心线程最大空闲时间，超时回收线程
workQueue 工作队列 工作队列直接决定线程池的类型
2、参数与池的关系

Executors类默认创建线程池与参数对应关系。

线程池 corePoolSize maximumPoolSize keepAliveTime workQueue
newCachedThreadPool 0 Integer.MAX_VALUE 60 SynchronousQueue
newSingleThreadExecutor 1 1 0 LinkedBlockingQueue
newFixedThreadPool N N 0 LinkedBlockingQueue
newScheduledThreadPool N Integer.MAX_VALUE 0 DelayedWorkQueue

（二）线程池对比

根据使用场景选择对应的线程池。

1、通用对比
线程池 特点 适用场景
newCachedThreadPool 超时未使用的线程回自动销毁，有新任务时自动创建 适用于低频、轻量级的任务。回收线程的目的是节约线程长时间空闲而占有的资源。
newSingleThreadExecutor 线程池中有且只有一个线程 顺序执行任务
newFixedThreadPool 线程池中有固定数量的线程，且一直存在 适用于高频的任务，即线程在大多数时间里都处于工作状态。
newScheduledThreadPool 定时线程池 与定时调度相关联
2、拓展对比

维护仅有一个线程的线程池有如下两种方式，正常使用的情况下，二者差异不大；复杂使用环境下，二者存在细微的差异。用newSingleThreadExecutor方式创建的线程池在任何时刻至多只有一个线程，因此可以理解为用异步的方式执行顺序任务；后者初始化的时候也只有一个线程，使用过程中可能会出现最大线程数超过1的情况，这时要求线性执行的任务会并行执行，业务逻辑可能会出现问题，与实际场景有关。

private final static ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
private final static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

（三）线程池原理

线程池主要处理流程，任务提交之后是怎么执行的。大致如下：

  1. 判断核心线程池是否已满，如果不是，则创建线程执行任务
  2. 如果核心线程池满了，判断队列是否满了，如果队列没满，将任务放在队列中
  3. 如果队列满了，则判断线程池是否已满，如果没满，创建线程执行任务
  4. 如果线程池也满了，则按照拒绝策略对任务进行处理

（四）提交任务的方式

往线程池中提交任务，主要有两种方法：提交无返回值的任务和提交有返回值的任务。

1、无返回值任务

execute用于提交不需要返回结果的任务。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    executor.execute(() -> System.out.println("hello"));
}
2、有返回值任务

submit()用于提交一个需要返回果的任务。

该方法返回一个Future对象，通过调用这个对象的get()方法，我们就能获得返回结果。get()方法会一直阻塞，直到返回结果返回。

我们也可以使用它的重载方法get(long timeout, TimeUnit unit)，这个方法也会阻塞，但是在超时时间内仍然没有返回结果时，将抛出异常TimeoutException。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    Future<Long> future = executor.submit(() -> {
        System.out.println("task is executed");
        return System.currentTimeMillis();
    });
    System.out.println("task execute time is: " + future.get());
}

在提交任务时，如果无返回值任务，优先使用execute。

（无）关闭线程池

在线程池使用完成之后，我们需要对线程池中的资源进行释放操作，这就涉及到关闭功能。我们可以调用线程池对象的shutdown()和shutdownNow()方法来关闭线程池。

这两个方法都是关闭操作，又有什么不同呢？

  1. shutdown()会将线程池状态置为SHUTDOWN，不再接受新的任务，同时会等待线程池中已有的任务执行完成再结束。
  2. shutdownNow()会将线程池状态置为SHUTDOWN，对所有线程执行interrupt()操作，清空队列，并将队列中的任务返回回来。

另外，关闭线程池涉及到两个返回boolean的方法，isShutdown()和isTerminated，分别表示是否关闭和是否终止。

三、Executors

Executors是一个线程池工厂，提供了很多的工厂方法，我们来看看它大概能创建哪些线程池。

// 创建单一线程的线程池
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor();
// 创建固定数量的线程池
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads);
// 创建带缓存的线程池
public static ExecutorService newCachedThreadPool();
// 创建定时调度的线程池
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize);
// 创建流式（fork-join）线程池
public static ExecutorService newWorkStealingPool();
1、创建单一线程的线程池

任何时候线程池中至多只有一个线程，当线程执行异常终止时会自动创建一个新线程替换。如果既有异步执行任务的需求又希望任务得以顺序执行，那么此类型线程池是首选。

若多个任务被提交到此线程池，那么会被缓存到队列。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理。

2、创建固定数量的线程池

创建核心线程与最大线程数相等的固定线程数的线程池，任何时刻至多有固定数目的线程，当线程因异常而终止时则会自动创建线程替换。

当有新任务加入时，如果池内线程均处于活跃状态，则任务进入等待队列中，直到有空闲线程，队列中的任务才会被顺序执行；如果池内有非活跃线程，则任务可以立刻得以执行。

  • 如果线程的数量未达到指定数量，则创建线程来执行任务
  • 如果线程池的数量达到了指定数量，并且有线程是空闲的，则取出空闲线程执行任务
  • 如果没有线程是空闲的，则将任务缓存到队列（队列长度为Integer.MAX_VALUE）。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理
3、创建可伸缩的线程池

这种方式创建的线程池，核心线程池的长度为0，线程池最大长度为Integer.MAX_VALUE。由于本身使用SynchronousQueue作为等待队列的缘故，导致往队列里面每插入一个元素，必须等待另一个线程从这个队列删除一个元素。

  • 线程池可维护0到Integer.MAX_VALUE个线程资源，空闲线程默认情况下超过60秒未使用则会被销毁，长期闲置的池占用较少的资源。
  • 当有新任务加入时，如果池中有空闲且尚未销毁的线程，则将任务交给此线程执行；如果没有可用的线程，则创建一个新线程执行任务并添加到池中。
4、创建定时调度的线程池

和上面3个工厂方法返回的线程池类型有所不同，它返回的是ScheduledThreadPoolExecutor类型的线程池。平时我们实现定时调度功能的时候，可能更多的是使用第三方类库，比如：quartz等。但是对于更底层的功能，我们仍然需要了解。

四、手动创建线程池

理论上，我们可以通过Executors来创建线程池，这种方式非常简单。但正是因为简单，所以限制了线程池的功能。比如：无长度限制的队列，可能因为任务堆积导致OOM，这是非常严重的bug，应尽可能地避免。怎么避免？归根结底，还是需要我们通过更底层的方式来创建线程池。

抛开定时调度的线程池不管，我们看看ThreadPoolExecutor。它提供了好几个构造方法，但是最底层的构造方法却只有一个。那么，我们就从这个构造方法着手分析。

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

这个构造方法有7个参数，我们逐一来进行分析。

  1. corePoolSize，线程池中的核心线程数
  2. maximumPoolSize，线程池中的最大线程数
  3. keepAliveTime，空闲时间，当线程池数量超过核心线程数时，多余的空闲线程存活的时间，即：这些线程多久被销毁。
  4. unit，空闲时间的单位，可以是毫秒、秒、分钟、小时和天，等等
  5. workQueue，等待队列，线程池中的线程数超过核心线程数时，任务将放在等待队列，它是一个BlockingQueue类型的对象
  6. threadFactory，线程工厂，我们可以使用它来创建一个线程
  7. handler，拒绝策略，当线程池和等待队列都满了之后，需要通过该对象的回调函数进行回调处理

这些参数里面，基本类型的参数都比较简单，我们不做进一步的分析。我们更关心的是workQueue、threadFactory和handler，接下来我们将进一步分析。

（一）等待队列-workQueue

等待队列是BlockingQueue类型的，理论上只要是它的子类，我们都可以用来作为等待队列。

同时，jdk内部自带一些阻塞队列，我们来看看大概有哪些。

  1. ArrayBlockingQueue，队列是有界的，基于数组实现的阻塞队列
  2. LinkedBlockingQueue，队列可以有界，也可以无界。基于链表实现的阻塞队列
  3. SynchronousQueue，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，否则插入操作将一直处于阻塞状态。该队列也是Executors.newCachedThreadPool()的默认队列
  4. PriorityBlockingQueue，带优先级的无界阻塞队列

通常情况下，我们需要指定阻塞队列的上界（比如1024）。另外，如果执行的任务很多，我们可能需要将任务进行分类，然后将不同分类的任务放到不同的线程池中执行。

（二）线程工厂-threadFactory

ThreadFactory是一个接口，只有一个方法。既然是线程工厂，那么我们就可以用它生产一个线程对象。来看看这个接口的定义。

public interface ThreadFactory {

    /**
     * Constructs a new {@code Thread}.  Implementations may also initialize
     * priority, name, daemon status, {@code ThreadGroup}, etc.
     *
     * @param r a runnable to be executed by new thread instance
     * @return constructed thread, or {@code null} if the request to
     *         create a thread is rejected
     */
    Thread newThread(Runnable r);
}

Executors的实现使用了默认的线程工厂-DefaultThreadFactory。它的实现主要用于创建一个线程，线程的名字为pool-{poolNum}-thread-{threadNum}。

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
    private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
    private final ThreadGroup group;
    private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
    private final String namePrefix;

    DefaultThreadFactory() {
        SecurityManager s = System.getSecurityManager();
        group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                              Thread.currentThread().getThreadGroup();
        namePrefix = "pool-" +
                      poolNumber.getAndIncrement() +
                     "-thread-";
    }

    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread t = new Thread(group, r,
                              namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                              0);
        if (t.isDaemon())
            t.setDaemon(false);
        if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
            t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
        return t;
    }
}

很多时候，我们需要自定义线程名字。我们只需要自己实现ThreadFactory，用于创建特定场景的线程即可。

（三）拒绝策略-handler

所谓拒绝策略，就是当线程池满了、队列也满了的时候，我们对任务采取的措施。或者丢弃、或者执行、或者其他…

jdk自带4种拒绝策略，我们来看看。

  1. CallerRunsPolicy // 在调用者线程执行
  2. AbortPolicy // 直接抛出RejectedExecutionException异常
  3. DiscardPolicy // 任务直接丢弃，不做任何处理
  4. DiscardOldestPolicy // 丢弃队列里最旧的那个任务，再尝试执行当前任务

这四种策略各有优劣，比较常用的是DiscardPolicy，但是这种策略有一个弊端就是任务执行的轨迹不会被记录下来。所以，我们往往需要实现自定义的拒绝策略， 通过实现RejectedExecutionHandler接口的方式。

五、其它

配置线程池的参数

前面我们讲到了手动创建线程池涉及到的几个参数，那么我们要如何设置这些参数才算是正确的应用呢？实际上，需要根据任务的特性来分析。

  1. 任务的性质：CPU密集型、IO密集型和混杂型
  2. 任务的优先级：高中低
  3. 任务执行的时间：长中短
  4. 任务的依赖性：是否依赖数据库或者其他系统资源

不同的性质的任务，我们采取的配置将有所不同。在《Java并发编程实践》中有相应的计算公式。

通常来说，如果任务属于CPU密集型，那么我们可以将线程池数量设置成CPU的个数，以减少线程切换带来的开销。如果任务属于IO密集型，我们可以将线程池数量设置得更多一些，比如CPU个数*2。

PS：我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()来获取CPU的个数。

线程池监控

如果系统中大量用到了线程池，那么我们有必要对线程池进行监控。利用监控，我们能在问题出现前提前感知到，也可以根据监控信息来定位可能出现的问题。

那么我们可以监控哪些信息？又有哪些方法可用于我们的扩展支持呢？

首先，ThreadPoolExecutor自带了一些方法。

  1. long getTaskCount()，获取已经执行或正在执行的任务数
  2. long getCompletedTaskCount()，获取已经执行的任务数
  3. int getLargestPoolSize()，获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过
  4. int getPoolSize()，获取线程池线程数
  5. int getActiveCount()，获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）

其次，ThreadPoolExecutor留给我们自行处理的方法有3个，它在ThreadPoolExecutor中为空实现（也就是什么都不做）。

  1. protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) // 任务执行前被调用
  2. protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) // 任务执行后被调用
  3. protected void terminated() // 线程池结束后被调用

六、总结

  1. 尽量使用手动的方式创建线程池，避免使用Executors工厂类
  2. 根据场景，合理设置线程池的各个参数，包括线程池数量、队列、线程工厂和拒绝策略
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