Executor框架（三）线程池详细介绍与ThreadPoolExecutor

本文将介绍线程池的设计细节，这些细节与 ThreadPoolExecutor类的参数一一对应，所以，将直接通过此类介绍线程池。

ThreadPoolExecutor类 简介

  java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类，因此如果要透彻地了解Java中的线程池，必须先了解这个类。

ThreadPoolExecutor 的构造方法

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

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

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

注意： 几个参数的大小范围，corePoolSize >= 0,maximumPoolSize >= 1 ,keepAliveTime >= 0(keepAliveTime为0时，表示线程永久存活，即使空闲很长时间，也不会撤销)

线程池配置的各种参数以及策略

1. corePoolSize (核心池的大小)与 maximumPoolSize（线程池最大线程数）

• ThreadPoolExecutor 将根据 corePoolSize 和 maximumPoolSize 设置的边界自动调整池大小。
• 池中线程的创建策略。 当新任务在方法 execute(java.lang.Runnable) 中提交时，如果运行的线程少于 corePoolSize，则创建新线程来处理请求，即使其他辅助线程是空闲的。如果运行的线程多于 corePoolSize 而少于 maximumPoolSize，则仅当队列满时才创建新线程。
• 数量固定的线程池。 如果设置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，则创建了固定大小的线程池。
• 线程池数量任意。 如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值（如 Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。
• 动态更改大小。 在大多数情况下，核心和最大池大小仅基于构造来设置，不过也可以使用 setCorePoolSize(int) 和 setMaximumPoolSize(int) 进行动态更改。

2. 线程创建的时机

• 默认情况下，即使核心线程最初只是在新任务到达时才创建和启动的
• 也可以使用方法 prestartCoreThread() 或 prestartAllCoreThreads() 对其进行动态重写。如果构造带有非空队列的池，则可能希望预先启动线程。

3. 线程创建的工厂方法 ThreadFactory

• 使用 ThreadFactory 创建新线程。通过提供不同的 ThreadFactory，可以改变线程的名称、线程组、优先级、守护进程状态，等等。如果从 newThread 返回 null 时 ThreadFactory 未能创建线程，则执行程序将继续运行，但不能执行任何任务。

4. 保持活动时间 keepAliveTime

• 如果池中当前有多于 corePoolSize 的线程，则这些多出的线程在空闲时间超过 keepAliveTime 时将会终止,直到池中的数量减少到核心数。这提供了当池处于非活动状态时减少资源消耗的方法。
• 默认情况下，保持活动策略只在有多于 corePoolSizeThreads 的线程时应用。但是只要 keepAliveTime 值非 0，allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法调用后，也可将此超时策略应用于核心线程。

5. BlockingQueue 任务队列

• 如果运行的线程少于 corePoolSize，则 Executor 始终首选添加新的线程，而不进行排队。
• 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize，则 Executor 始终首选将请求加入队列，而不添加新的线程。
• 如果无法将请求加入队列，则创建新的线程，除非创建此线程超出 maximumPoolSize，在这种情况下，任务将被拒绝。
• 任务队列的策略
  • 直接提交。工作队列的默认选项是 SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此，如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。
  • 无界队列。使用无界队列（例如，不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue）将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize。（因此，maximumPoolSize 的值也就无效了。）当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；例如，在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求，当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。
  • 有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时，有界队列（如 ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞（例如，如果它们是 I/O 边界），则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU 使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量。

6. 被拒绝的任务的处理策略

  当 Executor 已经关闭，并且 Executor 将有限边界用于最大线程和工作队列容量，且已经饱和时，在方法 execute(java.lang.Runnable) 中提交的新任务将被拒绝。在以上两种情况下，execute 方法都将调用其 RejectedExecutionHandler 的 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution(java.lang.Runnable, java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor) 方法。下面提供了四种预定义的处理程序策略：

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：如果执行程序尚未关闭，丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。即直接在 execute 方法的调用线程中运行被拒绝的任务；

7. 队列维护

• 方法 getQueue() 允许出于监控和调试目的而访问工作队列。强烈反对出于其他任何目的而使用此方法。remove(java.lang.Runnable) 和 purge() 这两种方法可用于在取消大量已排队任务时帮助进行存储回收。

8. 钩子(hook)方法

此类提供 protected 可重写的 beforeExecute(Runnable) 和 afterExecute(Runnable, Throwable) 方法，这两种方法分别在执行每个任务之前和之后调用。它们可用于操纵执行环境；例如，重新初始化 ThreadLocal、搜集统计信息或添加日志条目。此外，还可以重写方法 terminated() 来执行 Executor 完全终止后需要完成的所有特殊处理。

@ Example1 钩子用法示例

此类的大多数扩展可以重写一个或多个受保护的钩子 (hook) 方法。例如，下面是一个添加了简单的暂停/恢复功能的子类：

 class PausableThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor {
   private boolean isPaused;
   private ReentrantLock pauseLock = new ReentrantLock();
   private Condition unpaused = pauseLock.newCondition();

   public PausableThreadPoolExecutor(...) { super(...); }
 
   protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
     super.beforeExecute(t, r);
     pauseLock.lock();
     try {
       while (isPaused) unpaused.await();
     } catch(InterruptedException ie) {
       t.interrupt();
     } finally {
       pauseLock.unlock();
     }
   }
 
   public void pause() {
     pauseLock.lock();
     try {
       isPaused = true;
     } finally {
       pauseLock.unlock();
     }
   }
 
   public void resume() {
     pauseLock.lock();
     try {
       isPaused = false;
       unpaused.signalAll();
     } finally {
       pauseLock.unlock();
     }
   }
 }

@ Example2 任务拒绝策略示例

  下面的例子是通过传入各种参数，配置创建了一个ThreadPoolExecutor线程池实例，并向此线程池提交多个任务，而且任务的数量大于线程池的承受数量。

public class Test_29 {
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	   SynchronousQueue<Runnable> queue = new SynchronousQueue<>();
	   MyThreadFactory threadFactory = new MyThreadFactory();
       //创建一个线程池
	   ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 3, 60,TimeUnit.SECONDS,queue, threadFactory, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

       //向线程池提交四个任务   
	   for(int i=0;i<4;i++){
		   MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
		   poolExecutor.execute(myRunnable);
	   }
	   
	   //关闭线程池
	   poolExecutor.shutdown();
   }
}

//自定义的工厂方法
class MyThreadFactory implements ThreadFactory{

	static int number=0;
	final String BASE_NAME = "poolthread_";

	@Override
	public Thread newThread(Runnable r) {
		number++;
		//自定线程池的创建线程的工厂方法，这里指定线程池中的每个线程命名：poolthread_i
		Thread thread = new Thread(r,BASE_NAME+number);
		System.out.println("线程池创建了一个线程："+BASE_NAME+number);
		return thread;
	}
}

class MyRunnable implements Runnable{

	@Override
	public void run() {
		try {
			//休眠一秒，模拟线程的执行过程
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		//输出当前执行任务的线程的名称
        System.out.println("任务完成，执行任务的线程是："+Thread.currentThread().getName());	
	}
}

运行结果：

线程池创建了一个线程：poolthread_1
线程池创建了一个线程：poolthread_2
线程池创建了一个线程：poolthread_3
任务完成，执行任务的线程是：main
任务完成，执行任务的线程是：poolthread_2
任务完成，执行任务的线程是：poolthread_3
任务完成，执行任务的线程是：poolthread_1

  注意此线程池的配置，队列用的是 SynchronousQueue ，即不会存储任务，都是要立即执行任务，所以此线程池的同一时间内只能最多接受3个任务。而例子一共提交了4个任务，由于拒绝任务的策略是ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy，所以被线程池拒绝执行的任务，就由main线程执行了。
  拒绝任务的策略，除了JDK已经提供的四种外，还可以自定义策略，方法就是实现 RejectedExecutionHandler 接口

Executors 中提供了三种常用的ThreadPoolExecutor的创建：

1. FixedThreadPool 固定线程池

  固定线程池 的线程数量是固定的，由传入的参数决定。线程 keepAliveTime 为0，即不会因为空闲超时而关闭线程，同时队列是无边界的队列，不会发生任务丢弃。

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

2. SingleThreadPoolExcutor 单线程池
  单线程池中线程数量固定为1.

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

3. CachedThreadPool 缓存线程池

  缓存线程池的核心线程corePoolSize 数量为0，但是池中的最大线程数是 无边界。空闲超时为60s，队列用了SynchronousQueue，即任务是立即交付运行的。

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