java多线程9：线程池

线程池

线程池的优点

我们知道线程的创建和上下文的切换也是需要消耗CPU资源的，所以在多线程任务下，使用线程池的优点就有：

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

我们看下线程池的主要处理流程，ThreadPoolExecutor执行示意图

1）如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

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（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

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。

看下构造方法中核心的7个参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

1：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corePoolSize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。

如果调用了线程池的allowsCoreThreadTimeOut()方法，线程池的核心线程可以在等待新任务超时后自动销毁。

2：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，则线程池会再创建新的线程执行任务。这也是当前线程池能同时运行的最大线程数。

3：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，可以调大时间，提高线程的利用率。

4：unit（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）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

5：workQueue（任务队列）

用于保存等待执行的任务的阻塞队列。

阻塞队列的数据结构与功能可以参考：java多线程8：阻塞队列与Fork/Join框架，可用于线程池的有：

ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、LinkedBlockingQueue 静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列、

SynchronousQueue 静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列

6：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。

7：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。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略：

　  * AbortPolicy：直接抛出异常。

　　* CallerRunsPolicy：使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。

线程池的创建

在Executors 中为我们提供了大多数场景下几种常用的线程池创建方法

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

　　单线程线程池，线程池中核心线程数和最大线程数都是1，workQueue选择了Integer.MAX_VALUE 长度的LinkedBlockingQueue，基本上不管来多少任务都在排队等待一个一个的执行。

因为workQueue是无界的，也就是说排队的任务永远不会多过workQueue的容量，那maximum其实设置多少都无所谓了

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

　　固定大小的线程池，无非是让线程池中能运行的线程编程了手动指定的nThreads罢了，和单线程的线程池异曲同工。

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

　　无界线程池，意思是不管多少任务提交进来，都直接运行。无界线程池采用了SynchronousQueue，采用这个线程池就没有workQueue容量一说了，只要添加进去的线程就会被拿去用。

既然是无界线程池，那线程数肯定没上限，所以以maximumPoolSize为主了，设置为一个近似的无限大Integer.MAX_VALUE。

另外注意一下，单线程线程池和固定大小线程池线程都不会进行自动回收的，也即是说保证提交进来的任务最终都会被处理，但至于什么时候处理，就要看处理能力了。

但是无界线程池是设置了回收时间的，由于corePoolSize为0，所以只要60秒没有被用到的线程都会被直接移除。

上面三种创建线程池的方式，有一个最大的弊端就是提交任务可以无限制，这样就很容易导致我们服务OOM，阿里的java开发手册在并发处理一节中就强制建议：

【强制】线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

　　说明:Executors 返回的线程池对象的弊端如下:

　　　　1：FixedThreadPool 和 SingleThreadPool: workQueue默认都是Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致 OOM

　　　　2：CachedThreadPool: 允许创建线程数量为Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量线程，从而导致 OOM

通常来说，我们一般显示的通过ThreadPoolExecutor来创建自定义线程池，根据性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。

CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。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，如2*Ncpu。

对于任务队列workQueue，还是建议使用有界队列可以提高系统的稳定性，而且可以通过我们自定义的拒绝策略去排序线程池的问题。

线程池的监控

可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性。

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。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。

getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程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。

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。

例如，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

线程池的关闭

可以通过调用线程池的shutdown或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。

它们的区别是，shutdownNow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，

而shutdown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方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) 设定超时时间及单位，当等待超过设定时间时，会监测线程池是否已经关闭，若关闭则返回true，否则返回false。一般情况下会和shutdown方法组合使用。

参考文献

1：《Java并发编程的艺术》