java中的线程池

前言

　　java中的线程池是运行场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。

　　合理使用线程池能够带来3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。

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经满。如果工作队里没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里，满了则交给饱和策略来处理这个任务。

（3）线程池判断线程池的线程数量是否已满。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务任务，反之交给饱和策略来处理这个任务。

 ThreadPoolExecutor执行示意图

ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

（1）如果当前运行线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（执行这一步需要获取全局锁）

（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（执行这一步需要获取全局锁）

（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

部分源码分析

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
  }
}

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，还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的run()方法里看到这点。

public void run() {
  try {
    Runnable task = firstTask;
    firstTask = null;
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
      runTask(task);
      task = null;
    }
  } finally {
    workerDone(this);
  }
}

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图如图所示。

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：

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, KeepAliveTime, timeUnit, runnableTaskQueue, threadFactory, rejectedExecutionHandler)；

创建一个线程池需要输入几个参数如下：

（1）corePoolSize（核心池大小）：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等于线程池的核心线程数就不在创建。调用prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程

（2）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原则对元素进行排序

　　ArrayBlockingQueue是一个有界缓存等待队列，可以指定缓存队列的大小，当正在执行的线程数等于corePoolSize时，多余的元素缓存在　　　　         ArrayBlockingQueue队列中等待有空闲的线程时继续执行，当ArrayBlockingQueue已满时，加入ArrayBlockingQueue失败，会开启新的线程去执行，当线程数已经达到最大的maximumPoolSizes时，再有新的元素尝试加入ArrayBlockingQueue时会报错。

• LinkedBlockingQueue：是一个基于链表结构的阻塞队列，也是按照FIFO排序元素。吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue

　　　　LinkedBlockingQueue是一个无界缓存等待队列。当前执行的线程数量达到corePoolSize的数量时，剩余的元素会在阻塞队列里等待。（所以在使用此阻塞队列时maximumPoolSizes就相当于无效了），每个线程完全独立于其他线程。生产者和消费者使用独立的锁来控制数据的同步，即在高并发的情况下可以并行操作队列中的数据。

• SynchronousBlocking：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。

　　　　SynchronousQueue没有容量，是无缓冲等待队列，是一个不存储元素的阻塞队列，会直接将任务交给消费者，必须等队列中的添加元素被消费后才能继续添加新的元素。

• PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列

（3）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，则线程池会在创建新的线程执行任务。如果是无界的任务队列该参数没有效果

（4）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

（5）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，那么必须采取一个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。在JDK.5中提供以下4种策略

• 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

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存储不能处理的任务。

（6）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。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

（7）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）、微妙（MICROSECONDS，千分之一毫秒）、纳秒（NANOSECONDS，千分之一微妙）

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

1. 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执行成功

2. 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。

关闭线程池

　　可以通过调用线程池的shutdown和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。

　　但是他们存在一定的区别。

　　shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所以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shutdow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isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法，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，如果任务不一定执行完，则可以调用shutdownNow方法。

合理地配置线程池

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 低
• 任务的执行时间：长 中 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密集型任务应配置可能小的线程。

　　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。

　　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。

注意：如果一直有优先级搞的任务提交到队里里，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。

线程池的监控

可以通过线程池提供的参数进行监控：

• 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
• getPoolSize：线程池的线程数量
• 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。

java中有哪些线程池

Java通过Executors提供四种线程池，分别为： 

1. newCachedThreadPool——创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
2. newFixedThreadPool——创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
3. newScheduledThreadPool——创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
4. newSingleThreadExecutor——创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。