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Java线程池

一、 简介

系统启动一个新线程的成本是比较高的,因为它涉及与操作系统的交互,这个时候使用线程池可以提升性能,尤其是需要创建大量生命周期很短暂的线程时。Java中的线程池是运用场景最多的并发框架。
线程池类似于数据库连接池,维护了多个线程,可以将一个线程任务提交给线程池执行,当任务执行完后,线程不会死亡,而是再次返回线程池中成为空闲状态。

使用线程池的好处

  • 降低资源消耗:重复利用降低创建和销毁线程的消耗;
  • 提高响应速度:任务来了可以立即执行,不必等待线程创建;
  • 提高线程的可管理性:使用线程池可以统一的分配、调优和监控。

二、 使用Executors工厂类来生产线程

Executors工厂类主要有4种方式生产线程池:
1.newCachedThreadPool() :创建一个具有缓存功能的线程池,线程池无边界,适用于执行很多短期异步任务的小程序,或者负载较轻的服务器。
2. newFixedThreadPool(int nThreads):创建一个固定线程数的线程池,适用于为了满足资源管理的要求而需要限制线程数量的场景,比如负载较重的服务器。
3. newSingleThreadExecutor():创建一个只有单线程的线程池,适用于需要保证顺序地执行各个任务,并且在任意时间点不会有多个线程是活动的场景。
4. newScheduledThreadPool(int corePoolSize):创建一个具有指定线程数的线程池,并可以在指定延迟后执行线程任务,适用于多个后台线程执行周期任务,同时为了满足资源管理需要限制线程数量的场景。

实例代码

package com.wangjun.thread;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/*
* 演示线程池的使用
*/
public class ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 生产普通的线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(6);
// 第一种执行线程的方式
threadPool.submit(new MyThread());
// 第二种执行线程的方式,有返回值
Future<String> result = threadPool.submit(new MyThread(), "返回值1");
System.out.println(result.get());
// 第三种执行线程的方式,传入Callable对象,有返回值
Future<String> result2 = threadPool.submit(new MyThread2());
System.out.println(result2.get());
// 关闭线程池,不再接受新的任务,会将之前所有提交的任务执行完成,所有任务完成后,所有的线程死亡
// 调用shutdownNow可以立马停止所有线程
threadPool.shutdown();
System.out.println("-----");
// 生产可以延迟执行的线程池
ScheduledExecutorService threadPool2 = Executors.newScheduledThreadPool(6);
// 延迟1秒执行
threadPool2.schedule(new MyThread(), 1, TimeUnit.SECONDS);
// 延迟2秒后执行,每一秒循环执行一次
// 是以上一个任务开始的时间计时,period时间过去后,检测上一个任务是否执行完毕,如果上一个任务执行完毕,
// 则当前任务立即执行,如果上一个任务没有执行完毕,则需要等上一个任务执行完毕后立即执行。
threadPool2.scheduleAtFixedRate(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
// 是以上一个任务结束时开始计时,period时间过去后,立即执行。
// 两个方法以不同的时间点作为参考
threadPool2.scheduleWithFixedDelay(new MyThread(), 2, 1, TimeUnit.SECONDS);
Thread.sleep(3000);
threadPool2.shutdown();
}
static class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName());
}
}
static class MyThread2 implements Callable<String>{
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName());
return "返回值2";
}
}
}

三、 线程池类ThreadPoolExector

上面使用Executors工厂类生产线程池,其实大部分返回的就是ThreadPoolExector的实例。ThreadPoolExector才是真正的线程池。

3.1 线程池的几个关键属性

  1. 1.
    核心线程数量corePoolSize:核心线程数,指保留的线程池大小(不超过maximumPoolSize值时,线程池中最多有corePoolSize 个线程工作,可以设置为系统CPU核数)。
  2. 2.
    最大线程数量maximumPoolSize:指的是线程池的最大大小,如果使用了无界队列,那这个参数就没什么用。
  3. 3.
    线程结束的超时时间keepAliveTime:当一个线程不工作时,过keepAliveTime时间将停止该线程(该线程是多余的,指大于corePoolSize的那些线程)。
  4. 4.
    存放任务的队列workQueue:存放需要被线程池执行的线程队列。
  5. 5.
    饱和策略handler:加任务失败后如何处理该任务。通常是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。
CPU密集型任务应配置尽可能小的线程,如配置CPU数目+1个线程的线程池。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,如2*CPU数目。

3.2 线程池执行策略

线程池执行execute()方法的过程如图:
  1. 1.
    线程池刚创建时,里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过,就算队列里面有任务,线程池也不会马上执行它们。
  2. 2.
    当调用 execute() 方法添加一个任务时,线程池会做如下判断:
​ a. 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize,则创建线程执行任务(注意,这一步需要获取全局锁);
​ b. 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize并且队列没有满,那么将这个任务放入队列。
​ c. 如果这时候队列满了,而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize,那么还是要创建线程运行这个任务;
​ d. 如果队列满了,而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize,那么线程池会交给配置的执行策略处理(调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法),比如抛出异常,提示无法加入新线程。
  1. 1.
    当一个线程完成任务时,它会从队列中取下一个任务来执行。
  2. 2.
    当一个线程无事可做,超过一定的时间(keepAliveTime)时,线程池会判断,如果当前运行 的线程数大于 corePoolSize,那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后,它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

3.3 线程池中阻塞队列的种类

  1. 1.
    ArrayBlockingQueue:基于数组结构的有界阻塞队列,按照先进先出FIFO原则对元素进行排序;
  2. 2.
    LinkedBlockingQueue:基于链表结构的阻塞队列,按照FIFO排序原则,吞吐量大于ArrayBlockingQueue,静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()就使用了这个队列,属于无界阻塞队列,默认大小Integer.MAX_VALUE;
  3. 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,否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue,静态工程方法Executors.newCachedThreadPool()就使用了这个队列;
  4. 4.
    PriorityBlockingQueue:具有优先级的无限阻塞队列;
  5. 5.
    DelayedWorkQueue:ScheduledThreadPoolExecutor的内部类,类似于DelayedQueue,一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。不同的是 DelayedWorkQueue并没有采用 PriorityQueue,而是自己实现的二叉堆算法。

3.4 饱和策略

一般情况下,线程池采用的是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。JDK1.5中java线程池框架提供了4种饱和策略:
  • 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(等待最久)的一个任务,然后把任务加入到队列;
  • DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。
也可以根据场景来实现RejectedExecutionHandler接口来自定义策略。

3.5 向线程池提交任务

  • execute:用于提交不需要返回值的任务,因此无法判断任务是否被线程执行成功;
  • submit:用于提交需要有返回值的任务,返回一个Future对象,通过get()获取返回值,会阻塞当前线程直到任务完成。

3.6 关闭线程池

通过调用线程池的shutdownshutdownNow方法来关闭线程池,他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。
这两个方法的区别在于,当线程池调用shutdown方法时,线程池的状态则立刻变成SHUTDOWN状态。此时,则不能再往线程池中添加任何任务,否则将会抛出RejectedExecutionException异常。但是,此时线程池不会立刻退出,直到添加到线程池中的任务都已经处理完成,才会退出。
执行shutdownNow方法,线程池的状态立刻变成STOP状态,并试图停止所有正在执行的线程,不再处理还在池队列中等待的任务,当然,它会返回那些未执行的任务。 它试图终止线程的方法是通过调用Thread.interrupt()方法来实现的,但是大家知道,这种方法的作用有限,如果线程中没有sleep 、wait、Condition、定时锁等应用, interrupt()方法是无法中断当前的线程的。所以,ShutdownNow()并不代表线程池就一定立即就能退出,它可能必须要等待所有正在执行的任务都执行完成了才能退出。
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。通常调用shutdown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。

四、 Executor框架

JDK5之前,java的线程Thread既是工作单元,也是执行单元(start方法执行),JDK5开始,把工作单元与执行机制分离开来,工作单元包括Runnable和Callable,而执行机制由Executor框架提供。(注意这里的Executor和Executors线程池工厂类不是一回事。)
线程池类ThreadPoolExecutor的继承关系:
ThreadPoolExecutor -> AbstractExecutorService -> ExecutorService(接口) -> Executor(接口)。
可以看到ThreadPoolExecutor就是Executor接口的一个实现类。

4.1 Executor的两层调度模型

传统的java线程(java.lang.Thread)在JVM中被一对一映射为本地操作系统线程,java线程启动时会创建一个本地操作系统线程,当java线程终止时,这个操作系统线程也会被回收。
而在Executor框架中,将用户任务映射为固定数量的线程,在底层操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上,应用程序通过Executor框架控制上层调度,下层的调度由操作系统内核控制。

4.2 Executor框架的结构

Executor框架主要有3部分组成:
  1. 1.
    任务:包括被执行任务需要实现的接口:Runnable和Callable;
  2. 2.
    任务的执行:核心接口是Executor,继承Executor的ExecutorService接口。ExecutorService接口有两个核心实现类,ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor(继承ThreadPoolExecutor,可以延迟执行任务,比Timer更强大)。
  3. 3.
    异步计算的结果:包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。
来看一下Executor框架中主要类和接口的UML图:

五、 线程池中的异常处理

  1. 1.
    在自己的业务代码中捕获并处理异常;
  2. 2.
    使用ExecutorService.submit执行任务,利用返回的Future对象的get方法接收抛出的异常,然后进行处理,实例:
public class Main {
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException, ExecutionException {
ExecutorService threads = Executors.newFixedThreadPool(3);
for(int i = 0; i < 2; i++) {
Future<String> f = threads.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
throw new Exception("test");
}
});
try {
String s = f.get();
} catch(Exception e) {
//处理异常
System.out.println(e.getMessage());
}
}
threads.shutdown();
}
}
运行打印:
pool-1-thread-1
java.lang.Exception: test
pool-1-thread-2
java.lang.Exception: test
  1. 1.
    重写ThreadPoolExecutor.afterExecute方法,处理传递到afterExecute方法中的异常。
  2. 2.
    为工作者线程设置UncaughtExceptionHandler,在uncaughtException方法中处理异常。