线程池

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线程池的简单使用

newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。示例代码如下：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    try {
        Thread.sleep(index * 1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    cachedThreadPool.execute(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(index);
        }
    });
}

线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

newFixedThreadPool

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    fixedThreadPool.execute(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}

因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字。

定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如 Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考 PreloadDataCache。

newScheduledThreadPool

创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 3 seconds");
    }
}, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟3秒执行。

定期执行示例代码如下：

scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
    }
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟1秒后每3秒执行一次。
ScheduledExecutorService比Timer更安全，功能更强大，后面会有一篇单独进行对比。

newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下：

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}

结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。

现行大多数GUI程序都是单线程的。Android中单线程可用于数据库操作，文件操作，应用批量安装，应用批量删除等不适合并发但可能IO阻塞性及影响UI线程响应的操作。

使用线程池的好处

  • 降低资源消耗: 可以重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 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。
  • 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

线程池的工作原理

当一个新的任务提交到线程池之后，线程池是如何处理的

  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，则执行第二步。

  2. 线程池判断 工作队列 是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里进行等待。如果工作队列满了，则执行第三步

  3. 线程池判断 线程池的线程 是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务

线程池饱和策略

这里提到了线程池的饱和策略，那我们就简单介绍下有哪些饱和策略：

  • AbortPolicy

    Java 线程池默认的阻塞策略，不执行此任务，而且直接抛出一个运行时异常，切记 ThreadPoolExecutor.execute 需要 try catch，否则程序会直接退出。

  • DiscardPolicy

    直接抛弃，任务不执行，空方法

  • DiscardOldestPolicy

    从队列里面抛弃 head 的一个任务，并再次 execute 此 task。

  • CallerRunsPolicy

    在调用 execute 的线程里面执行此 command，会阻塞入口

  • 用户自定义拒绝策略（最常用）

    实现 RejectedExecutionHandler，并自己定义策略模式

我们以 ThreadPoolExecutor 为例展示下线程池的工作流程图

strategy

policy

  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），则在非corePool中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。

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。

关闭线程池

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。但是它们存在一定的区别，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。

合理的配置线程池

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、中和低。

  • 任务的执行时间：长、中和短。

  • 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密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置 N * cpu + 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。

  • 混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors() 方法获得当前设备的CPU个数。

  • 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

  • 如果一直有优先级高的任务提交到队列里，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。

  • 依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

建议使用有界队列。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。有时候我们系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，那么线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然，我们的系统所有的任务是用单独的服务器部署的，我们使用不同规模的线程池完成不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务。

线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控，方便在出现问题时，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。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。

通过扩展线程池进行监控。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。

线程池只是并发编程中的一小部分，下图是史上最全面的Java的并发编程学习技术总汇