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  • 第九章 Java中线程池

    Java中的线程池是运用场景最多的并发框架,几乎所有需求异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中,合理地使用线程池能够带来3个好处。

    1. 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
    2. 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
    3. 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

    当向线程池提交一个任务之后,线程池是如何处理这个任务呢?如图

    从图中可以看出,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execute()方法的示意图如下

    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

    ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路,是为了在执行execute()方法时,尽可能地避免获取全局锁(那将会是一个严重的可伸缩瓶颈)。在ThreadPoolExecutor完成预热之后(当前运行的线程数大于等于corePoolSize)。几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2,而步骤2不需要获取全局锁

    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
    • 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
    • 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
    • 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。所以任务很多,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

    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

    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知道任务完成,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。

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