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  • 多线程编程学习十一(ThreadPoolExecutor 详解).

    一、ThreadPoolExecutor 参数说明

        public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                  int maximumPoolSize,
                                  long keepAliveTime,
                                  TimeUnit unit,
                                  BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                                  ThreadFactory threadFactory,
                                  RejectedExecutionHandler handler)
    
    • corePoolSize:核心线程池的大小。当提交一个任务到线程池时,核心线程池会创建一个核心线程来执行任务,即使其他核心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核心线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的 prestartAllCoreThreads() 方法,核心线程池会提前创建并启动所有核心线程。

    • workQueue:任务队列。当核心线程池中没有线程时,所提交的任务会被暂存在队列中。Java 提供了多种阻塞队列

    • maximumPoolSize:线程池允许创建的最大线程数。如果队列也满了,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空闲线程执行任务。值得注意的是,如果使用了无界的任务队列则这个参数不起作用。

    • keepAliveTime:当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时,keepAliveTime 为多余的空闲线程等待新任务的最长时间,超过这个时间后多余的线程将被终止。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。值得注意的是,如果使用了无界的任务队列则这个参数不起作用。

    • TimeUnit:线程活动保持时间的单位。

    • threadFactory: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符合业务的名字。

      // 依赖 guava
      new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("xx-task-%d").build();
      
    • handler: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。Java 提供了以下4种策略:

      • AbortPolicy:默认。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。

    tips: 一般我们称核心线程池中的线程为核心线程,这部分线程不会被回收;超过任务队列后,创建的线程为空闲线程,这部分线程会被回收(回收时间即 keepAliveTime)

    二、常见的 ThreadPoolExecutor 介绍

    Executors 是创建 ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor 的工厂类。

    Java 提供了多种类型的 ThreadPoolExecutor,比较常见的有 FixedThreadPool、SingleThreadExecutor、CachedThreadPool等。

    FixedThreadPool

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

    FixedThreadPool 被称为可重用固定线程数的线程池。可以看到 corePoolSize 和 maximumPoolSize 都被设置成了 nThreads;keepAliveTime设置为0L,意味着多余的空闲线程会被立即终止;使用了阻塞队列 LinkedBlockingQueue 作为线程的工作队列(队列的容量为 Integer.MAX_VALUE)。

    FixedThreadPool 所存在的问题是,由于队列的容量为 Integer.MAX_VALUE,基本可以认为是无界的,所以 maximumPoolSize 和 keepAliveTime 参数都不会生效,饱和拒绝策略也不会执行,会造成任务大量堆积在阻塞队列中。

    FixedThreadPool 适用于为了满足资源管理的需求,而需要限制线程数量的应用场景。

    SingleThreadExecutor

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

    SingleThreadExecutor 是使用单个线程的线程池。可以看到 corePoolSize 和 maximumPoolSize 被设置为1,其他参数与 FixedThreadPool 相同,所以所带来的风险也和 FixedThreadPool 一致,就不赘述了。

    SingleThreadExecutor 适用于需要保证顺序的执行各个任务。

    CachedThreadPool

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

    CachedThreadPool 是一个会根据需要创建新线程的线程池。可以看到 corePoolSize 被设置为 0,所以创建的线程都为空闲线程;maximumPoolSize 被设置为 Integer.MAX_VALUE(基本可认为无界),意味着可以创建无限数量的空闲线程;keepAliveTime 设置为60L,意味着空闲线程等待新任务的最长时间为60秒;使用没有容量的 SynchronousQueue 作为线程池的工作队列。

    CachedThreadPool 所存在的问题是, 如果主线程提交任务的速度高于maximumPool 中线程处理任务的速度时,CachedThreadPool 会不断创建新线程。极端情况下,CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

    CachedThreadPool 适用于执行很多的短期异步任务的小程序,或者是负载较轻的服务器。

    三、自建 ThreadPoolExecutor 线程池

    鉴于上面提到的风险,我们更提倡使用 ThreadPoolExecutor 去创建线程池,而不用 Executors 工厂去创建。

    以下是一个 ThreadPoolExecutor 创建线程池的 Demo 实例:

    public class Pool {
    
        static ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("pool-task-%d").build();
        static ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2,
                200, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                threadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            // 1. 无返回值的任务执行 -> Runnable
            executor.execute(() -> System.out.println("Hello World"));
            // 2. 有返回值的任务执行 -> Callable
            Future<String> future = executor.submit(() -> "Hello World");
            // get 方法会阻塞线程执行等待返回结果
            String result = future.get();
            System.out.println(result);
    
            // 3. 监控线程池
            monitor();
    
            // 4. 关闭线程池
            shutdownAndAwaitTermination();
    
            monitor();
        }
    
        private static void monitor() {
            ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) executor;
            System.out.println("【线程池任务】线程池中曾经创建过的最大线程数:" + threadPoolExecutor.getLargestPoolSize());
            System.out.println("【线程池任务】线程池中线程数:" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
            System.out.println("【线程池任务】线程池中活动的线程数:" + threadPoolExecutor.getActiveCount());
            System.out.println("【线程池任务】队列中等待执行的任务数:" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
            System.out.println("【线程池任务】线程池已执行完任务数:" + threadPoolExecutor.getCompletedTaskCount());
        }
    
        /**
         * 关闭线程池
         * 1. shutdown、shutdownNow 的原理都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。
         * 2. shutdownNow: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。
         * 3. shutdown: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。
         */
        private static void shutdownAndAwaitTermination() {
            // 禁止提交新任务
            executor.shutdown();
            try {
                // 等待现有任务终止
                if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                    // 取消当前正在执行的任务
                    executor.shutdownNow();
                    // 等待一段时间让任务响应被取消
                    if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                        System.err.println("Pool did not terminate");
                    }
                }
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 如果当前线程也中断,则取消
                executor.shutdownNow();
                // 保留中断状态
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }
    
    

    创建线程池需要注意以下几点:

    1. CPU 密集型任务应配置尽可能小的线程,如配置 Ncpu+1 个线程。
    2. IO 密集型任务(数据库读写等)应配置尽可能多的线程,如配置 Ncpu*2 个线程。
    3. 优先级不同的任务可以使用优先级队列 PriorityBlockingQueue 来处理。
    4. 建议使用有界队列。可以避免创建数量非常多的线程,甚至拖垮系统。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力,可以根据需要设大一点儿,比如几千。

    四、ScheduledThreadPoolExecutor

    ScheduledThreadPoolExecutor 继承自 ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务,或者定期执行任务。

        public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
            super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
        }
    

    ScheduledThreadPoolExecutor 的功能与 Timer 类似,但功能更强大、更灵活。Timer 对应的是单个后台线程,而ScheduledThreadPoolExecutor 可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

    Java 提供了多种类型的 ScheduledThreadPoolExecutor ,可以通过 Executors 创建,比较常见的有 ScheduledThreadPool、SingleThreadScheduledExecutor 等。适用于需要多个后台线程执行周期任务,同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程数量的应用场景。

    public class ScheduleTaskTest {
    
        static ThreadFactory threadFactory = new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").build();
        static ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(5, threadFactory);
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            // 1. 延迟 3 秒后执行 Runnable 方法
            scheduledExecutorService.schedule(() -> System.out.println("Hello World"), 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    
            // 2. 延迟 3 秒后执行 Callable 方法
            ScheduledFuture<String> scheduledFuture = scheduledExecutorService.schedule(() -> "Hello ScheduledFuture", 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
            System.out.println(scheduledFuture.get());
    
            // 3. 延迟 1 秒后开始每隔 3 秒周期执行。
            //    如果中间任务遇到异常,则禁止后续执行。
            //    固定的频率来执行某项任务,它不受任务执行时间的影响。到时间,就执行。
            scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> System.out.println("Hello ScheduleAtFixedRate"), 1, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    
            // 4. 延迟 1 秒后,每个任务结束延迟 3 秒后再执行下个任务。
            //    如果中间任务遇到异常,则禁止后续执行。
            //    受任务执行时间的影响,等待任务执行结束后才开始计算延迟。
            scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(() -> System.out.println("Hello ScheduleWithFixedDelay"), 1, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
    }
    

    ScheduledThreadPoolExecutor 的执行步骤大抵如下:

    1. 当调用 ScheduledThreadPoolExecutor 的 scheduleAtFixedRate() 方法或者 scheduleWithFixedDelay()方 法时,会向 DelayedWorkQueue 队列添加 ScheduledFutureTask 任务。
    2. 线程池中的线程从 DelayedWorkQueue队列中获取执行时间已到达的 ScheduledFutureTask,然后执行任务。
    3. 线程修改 ScheduledFutureTask 任务的执行时间为下次将要被执行的时间。
    4. 线程把修改后的 ScheduledFutureTask 重新放回队列。
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