深入理解Java线程池

　　零.引子

　　线程是程序运行中一个非常重要的概念。通常情况下，程序从静态代码，到解析为机器码被加载入内存开始动态运行，就转变为一个进程。也可以说，程序是一个静态概念，程序运行起来后就变成了一个进程，进程是计算机分配CPU、内存等各种资源的基本单位。

　　我们平时在电脑中开启一些程序时，比如开启eclipse，idea等开发工具时，会发现程序启动较慢，这是因为进程运行所依赖的资源较多，故开启一个进程耗费的资源和时间也较多。一个进程中往往有多个子任务，从而轮番获取CPU的执行权，这些需要获取CPU执行权的子任务就称为线程，线程是计算机分配CPU执行权的最小单位。

　　相对于进程而言，线程的运行仅需要CPU执行权即可，耗费资源与时间大大减少。然而，现在的计算机操作系统基本上都承担着处理高并发任务的职责，如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，那么频繁创建线程就会大大降低系统的效率，这是因为，频繁创建线程和销毁线程也需要时间。

　　这就不由让我们考虑一个问题：有没有一种办法使得线程可以复用，从而避免线程的频繁创建？也就是说，当线程执行完一个任务时，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？

　　答案是可以的。在Java中，我们可以通过线程池来达到线程复用的效果。我们接下来详细讲解Java的线程池，为此，我们先从最核心的ThreadPoolExecutor类中的方法讲起，然后再讲述其实现原理，接着给出一个使用示例，最后讨论如何合理配置线程池的大小。

　　一.

　　为了对线程池有个比较全面的理解，我们先来看类ThreadPoolExecutor的继承体系：

　　通过上图可知，接口Executor是线程池体系的顶级接口。上述线程池继承体系的主要API如下：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}
public interface ExecutorService extends Executor {
    void shutdown();
    boolean isShutdown();
    boolean isTerminated();
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
    Future<?> submit(Runnable task);
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, throws InterruptedException;
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) { };
    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { };
    public Future<?> submit(Runnable task) {};
    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) { };
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { };
    private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {   };
    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException {    };
    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { };
    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException { };
    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    };
}
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    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);
    ...
}

　　在类ThreadPoolExecutor类中，提供了4个构造器，通过对其源代码观察，我们发现前三个构造器都是调用了第四个构造器进行了初始化工作。在此，我们看下第四个构造器中各个参数的含义。

　　corePoolSize：核心池的大小。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中。如果调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字也可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。

　　maximumPoolSize：线程池最大线程数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程。

　　keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用。也就是说，当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0。

　　unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

　　workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，会对线程池的运行过程产生重大影响。一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：

ArrayBlockingQueue;
PriorityBlockingQueue；
//上面两种使用较少，我们通常使用下面两种
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;
//线程池的排队策略与BlockingQueue有关

　　threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程。

　　handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：

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：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：调用其他线程处理该任务

　　在介绍了类ThreadPoolExecutor的构造器里的参数的含义后，我们接下来看该类中几个非常重要的方法：

execute()
submit()
shutdown()
shutdownNow()

　　execute()方法实际上是接口Executor中声明的方法，在类ThreadPoolExecutor中进行了具体的实现，这个方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。

　　submit()方法是在ExecutorService中声明的方法，在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现，在ThreadPoolExecutor中并没有对其进行重写，这个方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果，去看submit()方法的实现，会发现它实际上还是调用的execute()方法，只不过它利用了Future来获取任务的执行结果。

　　shutdown()和shutdownNow()是用来关闭线程池的。

　　另外，类ThreadPoolExecutor中还定义了一些其他的方法，如getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount()等获取与线程池相关的属性。

　　二.

　　我们在上面从宏观层面介绍了类ThreadPoolExecutor，我们接下来从几个方面深入了解线程池的内部实现原理。

　　1.线程池状态

　　2.任务的执行

　　3.线程池中的线程初始化

　　4.任务缓存队列及排队策略

　　5.任务拒绝策略

　　6.线程池的关闭

　　7.线程池容量的动态调整

　　在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：　　

volatile int runState;
static final int RUNNING    = 0;
static final int SHUTDOWN   = 1;
static final int STOP       = 2;
static final int TERMINATED = 3;

　　runState表示当前线程池的状态，它用一个volatile变量来保证线程之间的可见性。runState下面的几个static final变量则表示runState可能的几个取值：

　　当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；

　　如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；

　　如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；

　　当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。

　　2.任务的执行

　　我们先来看一下类ThreadPoolExecutor中定义的一些比较重要的成员变量：

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;    //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   //线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小，runState等）的改变都要使用这个锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();  //用来存放工作集 
private volatile long  keepAliveTime;    //线程存活时间   
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;   //是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile int   corePoolSize;     //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列）
private volatile int   maximumPoolSize;   //线程池最大能容忍的线程数 
private volatile int   poolSize;       //线程池中当前的线程数 
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略
private volatile ThreadFactory threadFactory;   //线程工厂，用来创建线程 
private int largestPoolSize;   //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数 
private long completedTaskCount;   //用来记录已经执行完毕的任务个数

　　总的来说，任务提交给线程池之后的处理策略，主要有4个方面：　　

• 如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize，则每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务；
• 如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，则每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中，若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行；若添加失败（一般来说是任务缓存队列已满），则会尝试创建新的线程去执行这个任务；
• 如果当前线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，则会采取任务拒绝策略进行处理；
• 如果线程池中的线程数量大于 corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；如果允许为核心池中的线程设置存活时间，那么核心池中的线程空闲时间超过keepAliveTime，线程也会被终止。

　　3.线程池中的线程初始化　　

　　默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。

　　在实际中，如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法实现：

• prestartCoreThread()：初始化一个核心线程；
• prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心线程

　　4.任务缓存队列及排队策略

　　我们在前面提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。　　

　　workQueue的类型为BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三种类型：

　　1）ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；

　　2）LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；

　　3）synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

　　5.任务拒绝策略

　　当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：　　

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：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：调用其他线程处理该任务

　　6.线程池的关闭　　

　　ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：

• shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
• shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务　　

　　7.线程池容量的动态调整

　　ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，

• setCorePoolSize：设置核心池大小
• setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小

　　当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。

　　三.

　　线程池的使用示例。

　　

public class Test6 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 200, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
        for(int i=0;i<15;i++){
            MyTask myTask=new MyTask(i);
            executor.execute(myTask);
            System.out.println("线程池中线程数目:"+executor.getPoolSize()+
                    ",队列中等待的任务数目:"+executor.getQueue().size()+
                    ",已执行完其他的任务数目:"+executor.getCompletedTaskCount());
        }
        executor.shutdown();
    }
    static class MyTask implements Runnable{
        private int taskNum;
        public MyTask(int taskNum){
            this.taskNum=taskNum;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("正在执行task:"+taskNum);
            try {
                Thread.currentThread().sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("task--"+taskNum+"执行完毕");
        }
    }
}

　　上述代码执行结果如下：

正在执行task:0
线程池中线程数目:1,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:2,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:1
线程池中线程数目:3,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:2
线程池中线程数目:4,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:3
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:1,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:4
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:2,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:3,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:4,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
线程池中线程数目:6,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:10
线程池中线程数目:7,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:11
线程池中线程数目:8,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:12
线程池中线程数目:9,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:13
线程池中线程数目:10,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0
正在执行task:14
task--0执行完毕
正在执行task:5
task--12执行完毕
task--11执行完毕
正在执行task:6
task--3执行完毕
正在执行task:8
task--4执行完毕
正在执行task:9
task--13执行完毕
task--2执行完毕
正在执行task:7
task--14执行完毕
task--10执行完毕
task--1执行完毕
task--5执行完毕
task--9执行完毕
task--7执行完毕
task--8执行完毕
task--6执行完毕

　　从执行结果可以看出，当线程池中线程的数目大于5时，便将任务放入任务缓存队列里面，当任务缓存队列满了之后，便创建新的线程。如果上面程序中，将for循环中改成执行20个任务，就会抛出任务拒绝异常了。

　　在Java doc中，并不提倡我们直接使用ThreadPoolExecutor，而是使用Executors类中提供的几个静态方法来创建线程池，具体如下：　　

Executors.newCachedThreadPool();        //创建一个缓冲池，缓冲池容量大小为Integer.MAX_VALUE
Executors.newSingleThreadExecutor();   //创建容量为1的缓冲池
Executors.newFixedThreadPool(int);    //创建固定容量大小的缓冲池

　　上述三个静态方法的实现如下：　　

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}

　　从上述三个静态方法的具体实现来看，它们实际上也是调用了ThreadPoolExecutor，只不过都已配置好了参数。　　

　　newFixedThreadPool创建的线程池corePoolSize和maximumPoolSize值是相等的，它使用的LinkedBlockingQueue；

　　newSingleThreadExecutor将corePoolSize和maximumPoolSize都设置为1，也使用的LinkedBlockingQueue；

　　newCachedThreadPool将corePoolSize设置为0，将maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，使用的SynchronousQueue，也就是说来了任务就创建线程运行，当线程空闲超过60秒，就销毁线程。　　

　　实际使用中，如果Executors提供的三个静态方法能满足要求，就尽量使用它提供的三个方法，因为自己去手动配置ThreadPoolExecutor的参数有点麻烦，要根据实际任务的类型和数量来进行配置。

　　另外，如果ThreadPoolExecutor达不到要求，可以自己继承ThreadPoolExecutor类并重写里面的方法。

　　最后，我们再讨论下如何合理配置线程池的大小？　　

　　一般情况下，我们需要根据任务的类型来配置线程池大小：

　　如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1

　　如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU

　　当然，上述建议只是参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。