java多執行緒9：執行緒池

讓我發會呆發表於2021-12-20
Java執行緒

執行緒池

執行緒池的優點

我們知道執行緒的建立和上下文的切換也是需要消耗CPU資源的，所以在多執行緒任務下，使用執行緒池的優點就有：

第一：降低資源消耗。通過重複利用已建立的執行緒降低執行緒建立和銷燬造成的消耗。

第二：提高響應速度。當任務到達時，任務可以不需要等到執行緒建立就能立即執行。

第三：提高執行緒的可管理性。執行緒是稀缺資源，如果無限制地建立，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定性，

使用執行緒池可以進行統一分配、調優和監控。

 

執行緒池的實現原理

我們看下執行緒池的主要處理流程，ThreadPoolExecutor執行示意圖

 

 

1）如果當前執行的執行緒少於corePoolSize，則建立新執行緒來執行任務（注意，執行這一步驟需要獲取全域性鎖）。

2）如果執行的執行緒等於或多於corePoolSize，則將任務加入BlockingQueue。

3）如果無法將任務加入BlockingQueue（佇列已滿），則建立新的執行緒來處理任務（注意，執行這一步驟需要獲取全域性鎖）。

4）如果建立新執行緒將使當前執行的執行緒超出maximumPoolSize，任務將被拒絕，並呼叫RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

 

 

看下構造方法中核心的7個引數

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

1：corePoolSize（執行緒池的基本大小）

當提交一個任務到執行緒池時，執行緒池會建立一個執行緒來執行任務，即使其他空閒的基本執行緒能夠執行新任務也會建立執行緒，等到需要執行的任務數大於corePoolSize時就不再建立。

如果呼叫了執行緒池的prestartAllCoreThreads()方法，執行緒池會提前建立並啟動所有基本執行緒。

如果呼叫了執行緒池的allowsCoreThreadTimeOut()方法，執行緒池的核心執行緒可以在等待新任務超時後自動銷燬。

2：maximumPoolSize（執行緒池最大數量）

執行緒池允許建立的最大執行緒數。如果佇列滿了，並且已建立的執行緒數小於最大執行緒數，則執行緒池會再建立新的執行緒執行任務。這也是當前執行緒池能同時執行的最大執行緒數。

3：keepAliveTime（執行緒活動保持時間）

執行緒池的工作執行緒空閒後，保持存活的時間。所以，如果任務很多，並且每個任務執行的時間比較短，可以調大時間，提高執行緒的利用率。

4：unit（執行緒活動保持時間的單位）

可選的單位有天（DAYS）、小時（HOURS）、分鐘（MINUTES）、毫秒（MILLISECONDS）、微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）和納秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

5：workQueue（任務佇列）

用於儲存等待執行的任務的阻塞佇列。

阻塞佇列的資料結構與功能可以參考：java多執行緒8：阻塞佇列與Fork/Join框架，可用於執行緒池的有：

ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、LinkedBlockingQueue 靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個佇列、

SynchronousQueue 靜態工廠方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個佇列

6：ThreadFactory：用於設定建立執行緒的工廠，可以通過執行緒工廠給每個建立出來的執行緒設定更有意義的名字。

7：RejectedExecutionHandler（飽和策略）：當佇列和執行緒池都滿了，說明執行緒池處於飽和狀態，那麼必須採取一種策略處理提交的新任務。

這個策略預設情況下是AbortPolicy，表示無法處理新任務時丟擲異常。在JDK 1.5中Java執行緒池框架提供了以下4種策略：

 　  * AbortPolicy：直接丟擲異常。

　　* CallerRunsPolicy：使用呼叫者所線上程來執行任務。

　　* DiscardOldestPolicy：丟棄佇列裡最近的一個任務，並執行當前任務。

　　* DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。

當然，也可以根據應用場景需要來實現RejectedExecutionHandler介面自定義策略。如記錄日誌或持久化儲存不能處理的任務。

 

執行緒池的建立

在Executors 中為我們提供了大多數場景下幾種常用的執行緒池建立方法

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

　　單執行緒執行緒池，執行緒池中核心執行緒數和最大執行緒數都是1，workQueue選擇了Integer.MAX_VALUE 長度的LinkedBlockingQueue，基本上不管來多少任務都在排隊等待一個一個的執行。

因為workQueue是無界的，也就是說排隊的任務永遠不會多過workQueue的容量，那maximum其實設定多少都無所謂了

 

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

　　固定大小的執行緒池，無非是讓執行緒池中能執行的執行緒程式設計了手動指定的nThreads罷了，和單執行緒的執行緒池異曲同工。

 

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

　　無界執行緒池，意思是不管多少任務提交進來，都直接執行。無界執行緒池採用了SynchronousQueue，採用這個執行緒池就沒有workQueue容量一說了，只要新增進去的執行緒就會被拿去用。

既然是無界執行緒池，那執行緒數肯定沒上限，所以以maximumPoolSize為主了，設定為一個近似的無限大Integer.MAX_VALUE。

另外注意一下，單執行緒執行緒池和固定大小執行緒池執行緒都不會進行自動回收的，也即是說保證提交進來的任務最終都會被處理，但至於什麼時候處理，就要看處理能力了。

但是無界執行緒池是設定了回收時間的，由於corePoolSize為0，所以只要60秒沒有被用到的執行緒都會被直接移除。

 

上面三種建立執行緒池的方式，有一個最大的弊端就是提交任務可以無限制，這樣就很容易導致我們服務OOM，阿里的java開發手冊在併發處理一節中就強制建議：

【強制】執行緒池不允許使用Executors去建立，而是通過ThreadPoolExecutor的方式，這樣的處理方式讓寫的同學更加明確執行緒池的執行規則，規避資源耗盡的風險。

　　說明:Executors 返回的執行緒池物件的弊端如下:

　　　　1：FixedThreadPool 和 SingleThreadPool: workQueue預設都是Integer.MAX_VALUE，可能會堆積大量的請求，從而導致 OOM

　　　　2：CachedThreadPool: 允許建立執行緒數量為Integer.MAX_VALUE，可能會建立大量執行緒，從而導致 OOM

 通常來說，我們一般顯示的通過ThreadPoolExecutor來建立自定義執行緒池，根據性質不同的任務可以用不同規模的執行緒池分開處理。

CPU密集型任務應配置儘可能小的執行緒，如配置Ncpu+1個執行緒的執行緒池。IO密集型任務執行緒並不是一直在執行任務，則應配置儘可能多的執行緒，如2*Ncpu。

對於任務佇列workQueue，還是建議使用有界佇列可以提高系統的穩定性，而且可以通過我們自定義的拒絕策略去排序執行緒池的問題。

 

執行緒池的監控

可以通過執行緒池提供的引數進行監控，在監控執行緒池的時候可以使用以下屬性。

taskCount：執行緒池需要執行的任務數量。

completedTaskCount：執行緒池在執行過程中已完成的任務數量，小於或等於taskCount。

largestPoolSize：執行緒池裡曾經建立過的最大執行緒數量。通過這個資料可以知道執行緒池是否曾經滿過。如該數值等於執行緒池的最大大小，則表示執行緒池曾經滿過。

getPoolSize：執行緒池的執行緒數量。如果執行緒池不銷燬的話，執行緒池裡的執行緒不會自動銷燬，所以這個大小隻增不減。

getActiveCount：獲取活動的執行緒數。

 

可以通過繼承執行緒池來自定義執行緒池，重寫執行緒池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任務執行前、執行後和執行緒池關閉前執行一些程式碼來進行監控。

例如，監控任務的平均執行時間、最大執行時間和最小執行時間等

 

執行緒池的關閉

可以通過呼叫執行緒池的shutdown或shutdownNow方法來關閉執行緒池。

它們的原理是遍歷執行緒池中的工作執行緒，然後逐個呼叫執行緒的interrupt方法來中斷執行緒，所以無法響應中斷的任務可能永遠無法終止。

它們的區別是，shutdownNow首先將執行緒池的狀態設定成STOP，然後嘗試停止所有的正在執行或暫停任務的執行緒，並返回等待執行任務的列表，

而shutdown只是將執行緒池的狀態設定成SHUTDOWN狀態，然後中斷所有沒有正在執行任務的執行緒。

只要呼叫了這兩個關閉方法中的任意一個，isShutdown方法就會返回true。當所有的任務都已關閉後，才表示執行緒池關閉成功，這時呼叫isTerminated方法會返回true。

至於應該呼叫哪一種方法來關閉執行緒池，應該由提交到執行緒池的任務特性決定，通常呼叫shutdown方法來關閉執行緒池，如果任務不一定要執行完，則可以呼叫shutdownNow方法。

awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) 設定超時時間及單位，當等待超過設定時間時，會監測執行緒池是否已經關閉，若關閉則返回true，否則返回false。一般情況下會和shutdown方法組合使用。

 

參考文獻

1：《Java併發程式設計的藝術》 

 

　　

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