Java线程池的使用

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前言

在Java中,我们可以利用多线程来最大化地压榨CPU多核计算的能力。但是,线程本身是把双刃剑,我们需要知道它的利弊,才能在实际系统中游刃有余地运用。

在进入主题之前,我们先了解一下线程池的基本概念。

线程池,本质上是一种对象池,用于管理线程资源。
在任务执行前,需要从线程池中拿出线程来执行。
在任务执行完成之后,需要把线程放回线程池。
通过线程的这种反复利用机制,可以有效地避免直接创建线程所带来的坏处。

我们先来看看线程池带来了哪些好处。

  1. 降低资源的消耗。线程本身是一种资源,创建和销毁线程会有CPU开销;创建的线程也会占用一定的内存。
  2. 提高任务执行的响应速度。任务执行时,可以不必等到线程创建完之后再执行。
  3. 提高线程的可管理性。线程不能无限制地创建,需要进行统一的分配、调优和监控。

接下来,我们看看不使用线程池有哪些坏处。

  1. 频繁的线程创建和销毁会占用更多的CPU和内存
  2. 频繁的线程创建和销毁会对GC产生比较大的压力
  3. 线程太多,线程切换带来的开销将不可忽视
  4. 线程太少,多核CPU得不到充分利用,是一种浪费

因此,我们有必要对线程池进行比较完整地说明,以便能对线程池进行正确地治理。

线程池实现原理

 
线程池主要处理流程

通过上图,我们看到了线程池的主要处理流程。我们的关注点在于,任务提交之后是怎么执行的。大致如下:

  1. 判断核心线程池是否已满,如果不是,则创建线程执行任务
  2. 如果核心线程池满了,判断队列是否满了,如果队列没满,将任务放在队列中
  3. 如果队列满了,则判断线程池是否已满,如果没满,创建线程执行任务
  4. 如果线程池也满了,则按照拒绝策略对任务进行处理

在jdk里面,我们可以将处理流程描述得更清楚一点。来看看ThreadPoolExecutor的处理流程。

 
ThreadPoolExecutor的处理流程

我们将概念做一下映射。

  1. corePool -> 核心线程池
  2. maximumPool -> 线程池
  3. BlockQueue -> 队列
  4. RejectedExecutionHandler -> 拒绝策略

入门级例子

为了更直观地理解线程池,我们通过一个例子来宏观地了解一下线程池用法。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("thread id is: " + Thread.currentThread().getId());
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

在这个例子中,我们首先创建了一个固定长度为5的线程池。然后使用循环的方式往线程池中提交了10个任务,每个任务休眠1秒。在任务休眠之前,将任务所在的线程id进行打印输出。

所以,理论上只会打印5个不同的线程id,且每个线程id会被打印2次。是不是这样的呢?检验真理最好的方式就是运行一下。我们看看执行结果如何。

 
简单例子的执行结果

Executors

Executors是一个线程池工厂,提供了很多的工厂方法,我们来看看它大概能创建哪些线程池。

// 创建单一线程的线程池
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor();
// 创建固定数量的线程池
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads);
// 创建带缓存的线程池
public static ExecutorService newCachedThreadPool();
// 创建定时调度的线程池
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize);
// 创建流式(fork-join)线程池
public static ExecutorService newWorkStealingPool();

1. 创建单一线程的线程池

顾名思义,这个线程池只有一个线程。若多个任务被提交到此线程池,那么会被缓存到队列(队列长度为Integer.MAX_VALUE)。当线程空闲的时候,按照FIFO的方式进行处理。

2. 创建固定数量的线程池

创建单一线程的线程池类似,只是这儿可以并行处理任务的线程数更多一些罢了。若多个任务被提交到此线程池,会有下面的处理过程。

  1. 如果线程的数量未达到指定数量,则创建线程来执行任务
  2. 如果线程池的数量达到了指定数量,并且有线程是空闲的,则取出空闲线程执行任务
  3. 如果没有线程是空闲的,则将任务缓存到队列(队列长度为Integer.MAX_VALUE)。当线程空闲的时候,按照FIFO的方式进行处理

3. 创建带缓存的线程池

这种方式创建的线程池,核心线程池的长度为0,线程池最大长度为Integer.MAX_VALUE。由于本身使用SynchronousQueue作为等待队列的缘故,导致往队列里面每插入一个元素,必须等待另一个线程从这个队列删除一个元素。

4. 创建定时调度的线程池

和上面3个工厂方法返回的线程池类型有所不同,它返回的是ScheduledThreadPoolExecutor类型的线程池。平时我们实现定时调度功能的时候,可能更多的是使用第三方类库,比如:quartz等。但是对于更底层的功能,我们仍然需要了解。

我们写一个例子来看看如何使用。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);

        // 定时调度,每个调度任务会至少等待`period`的时间,
        // 如果任务执行的时间超过`period`,则等待的时间为任务执行的时间
        executor.scheduleAtFixedRate(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10000);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() / 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

        // 定时调度,第二个任务执行的时间 = 第一个任务执行时间 + `delay`
        executor.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() / 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

        // 定时调度,延迟`delay`后执行,且只执行一次
        executor.schedule(() -> System.out.println("5 秒之后执行 schedule"), 5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}
  1. scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit),定时调度,每个调度任务会至少等待period的时间,如果任务执行的时间超过period,则等待的时间为任务执行的时间
  2. scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit),定时调度,第二个任务执行的时间 = 第一个任务执行时间 + delay
  3. schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit),定时调度,延迟delay后执行,且只执行一次

手动创建线程池

理论上,我们可以通过Executors来创建线程池,这种方式非常简单。但正是因为简单,所以限制了线程池的功能。比如:无长度限制的队列,可能因为任务堆积导致OOM,这是非常严重的bug,应尽可能地避免。怎么避免?归根结底,还是需要我们通过更底层的方式来创建线程池。

抛开定时调度的线程池不管,我们看看ThreadPoolExecutor。它提供了好几个构造方法,但是最底层的构造方法却只有一个。那么,我们就从这个构造方法着手分析。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler);

这个构造方法有7个参数,我们逐一来进行分析。

  1. corePoolSize,线程池中的核心线程数
  2. maximumPoolSize,线程池中的最大线程数
  3. keepAliveTime,空闲时间,当线程池数量超过核心线程数时,多余的空闲线程存活的时间,即:这些线程多久被销毁。
  4. unit,空闲时间的单位,可以是毫秒、秒、分钟、小时和天,等等
  5. workQueue,等待队列,线程池中的线程数超过核心线程数时,任务将放在等待队列,它是一个BlockingQueue类型的对象
  6. threadFactory,线程工厂,我们可以使用它来创建一个线程
  7. handler,拒绝策略,当线程池和等待队列都满了之后,需要通过该对象的回调函数进行回调处理

这些参数里面,基本类型的参数都比较简单,我们不做进一步的分析。我们更关心的是workQueuethreadFactoryhandler,接下来我们将进一步分析。

1. 等待队列-workQueue

等待队列是BlockingQueue类型的,理论上只要是它的子类,我们都可以用来作为等待队列。

同时,jdk内部自带一些阻塞队列,我们来看看大概有哪些。

  1. ArrayBlockingQueue,队列是有界的,基于数组实现的阻塞队列
  2. LinkedBlockingQueue,队列可以有界,也可以无界。基于链表实现的阻塞队列
  3. SynchronousQueue,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,否则插入操作将一直处于阻塞状态。该队列也是Executors.newCachedThreadPool()的默认队列
  4. PriorityBlockingQueue,带优先级的无界阻塞队列

通常情况下,我们需要指定阻塞队列的上界(比如1024)。另外,如果执行的任务很多,我们可能需要将任务进行分类,然后将不同分类的任务放到不同的线程池中执行。

2. 线程工厂-threadFactory

ThreadFactory是一个接口,只有一个方法。既然是线程工厂,那么我们就可以用它生产一个线程对象。来看看这个接口的定义。

public interface ThreadFactory {

    /**
     * Constructs a new {@code Thread}.  Implementations may also initialize
     * priority, name, daemon status, {@code ThreadGroup}, etc.
     *
     * @param r a runnable to be executed by new thread instance
     * @return constructed thread, or {@code null} if the request to
     *         create a thread is rejected
     */
    Thread newThread(Runnable r);
}

Executors的实现使用了默认的线程工厂-DefaultThreadFactory。它的实现主要用于创建一个线程,线程的名字为pool-{poolNum}-thread-{threadNum}

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
    private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
    private final ThreadGroup group;
    private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
    private final String namePrefix;

    DefaultThreadFactory() {
        SecurityManager s = System.getSecurityManager();
        group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                              Thread.currentThread().getThreadGroup();
        namePrefix = "pool-" +
                      poolNumber.getAndIncrement() +
                     "-thread-";
    }

    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread t = new Thread(group, r,
                              namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                              0);
        if (t.isDaemon())
            t.setDaemon(false);
        if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
            t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
        return t;
    }
}

很多时候,我们需要自定义线程名字。我们只需要自己实现ThreadFactory,用于创建特定场景的线程即可。

3. 拒绝策略-handler

所谓拒绝策略,就是当线程池满了、队列也满了的时候,我们对任务采取的措施。或者丢弃、或者执行、或者其他...

jdk自带4种拒绝策略,我们来看看。

  1. CallerRunsPolicy // 在调用者线程执行
  2. AbortPolicy // 直接抛出RejectedExecutionException异常
  3. DiscardPolicy // 任务直接丢弃,不做任何处理
  4. DiscardOldestPolicy // 丢弃队列里最旧的那个任务,再尝试执行当前任务

这四种策略各有优劣,比较常用的是DiscardPolicy,但是这种策略有一个弊端就是任务执行的轨迹不会被记录下来。所以,我们往往需要实现自定义的拒绝策略, 通过实现RejectedExecutionHandler接口的方式。

提交任务的几种方式

往线程池中提交任务,主要有两种方法,execute()submit()

execute()用于提交不需要返回结果的任务,我们看一个例子。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    executor.execute(() -> System.out.println("hello"));
}

submit()用于提交一个需要返回果的任务。该方法返回一个Future对象,通过调用这个对象的get()方法,我们就能获得返回结果。get()方法会一直阻塞,直到返回结果返回。另外,我们也可以使用它的重载方法get(long timeout, TimeUnit unit),这个方法也会阻塞,但是在超时时间内仍然没有返回结果时,将抛出异常TimeoutException

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    Future<Long> future = executor.submit(() -> {
        System.out.println("task is executed");
        return System.currentTimeMillis();
    });
    System.out.println("task execute time is: " + future.get());
}

关闭线程池

在线程池使用完成之后,我们需要对线程池中的资源进行释放操作,这就涉及到关闭功能。我们可以调用线程池对象的shutdown()shutdownNow()方法来关闭线程池。

这两个方法都是关闭操作,又有什么不同呢?

  1. shutdown()会将线程池状态置为SHUTDOWN,不再接受新的任务,同时会等待线程池中已有的任务执行完成再结束。
  2. shutdownNow()会将线程池状态置为SHUTDOWN,对所有线程执行interrupt()操作,清空队列,并将队列中的任务返回回来。

另外,关闭线程池涉及到两个返回boolean的方法,isShutdown()isTerminated,分别表示是否关闭和是否终止。

如何正确配置线程池的参数

前面我们讲到了手动创建线程池涉及到的几个参数,那么我们要如何设置这些参数才算是正确的应用呢?实际上,需要根据任务的特性来分析。

  1. 任务的性质:CPU密集型、IO密集型和混杂型
  2. 任务的优先级:高中低
  3. 任务执行的时间:长中短
  4. 任务的依赖性:是否依赖数据库或者其他系统资源

不同的性质的任务,我们采取的配置将有所不同。在《Java并发编程实践》中有相应的计算公式。

通常来说,如果任务属于CPU密集型,那么我们可以将线程池数量设置成CPU的个数,以减少线程切换带来的开销。如果任务属于IO密集型,我们可以将线程池数量设置得更多一些,比如CPU个数*2。

PS:我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()来获取CPU的个数。

线程池监控

如果系统中大量用到了线程池,那么我们有必要对线程池进行监控。利用监控,我们能在问题出现前提前感知到,也可以根据监控信息来定位可能出现的问题。

那么我们可以监控哪些信息?又有哪些方法可用于我们的扩展支持呢?

首先,ThreadPoolExecutor自带了一些方法。

  1. long getTaskCount(),获取已经执行或正在执行的任务数
  2. long getCompletedTaskCount(),获取已经执行的任务数
  3. int getLargestPoolSize(),获取线程池曾经创建过的最大线程数,根据这个参数,我们可以知道线程池是否满过
  4. int getPoolSize(),获取线程池线程数
  5. int getActiveCount(),获取活跃线程数(正在执行任务的线程数)

其次,ThreadPoolExecutor留给我们自行处理的方法有3个,它在ThreadPoolExecutor中为空实现(也就是什么都不做)。

  1. protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) // 任务执行前被调用
  2. protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) // 任务执行后被调用
  3. protected void terminated() // 线程池结束后被调用

针对这3个方法,我们写一个例子。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(1)) {
            @Override protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
                System.out.println("beforeExecute is called");
            }
            @Override protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
                System.out.println("afterExecute is called");
            }
            @Override protected void terminated() {
                System.out.println("terminated is called");
            }
        };

        executor.submit(() -> System.out.println("this is a task"));
        executor.shutdown();
    }
}

输出结果如下:

beforeExecute is called
this is a task
afterExecute is called
terminated is called

一个特殊的问题

任何代码在使用的时候都可能遇到问题,线程池也不例外。楼主在现实的系统中就遇到过很奇葩的问题。我们来看一个例子。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(new DivTask(100, i));
        }
    }

    static class DivTask implements Runnable {
        int a, b;

        public DivTask(int a, int b) {
            this.a = a;
            this.b = b;
        }

        @Override public void run() {
            double result = a / b;
            System.out.println(result);
        }
    }
}

该代码执行的结果如下。

 
image.png

我们循环了5次,理论上应该有5个结果被输出。可是最终的执行结果却很让人很意外--只有4次输出。我们进一步分析发现,当第一次循环,除数为0时,理论上应该抛出异常才对,但是这儿却没有,异常被莫名其妙地吞掉了!

这又是为什么呢?

我们进一步看看submit()方法,这个方法是一个非阻塞方法,有一个返回对象,返回的是Future对象。那么我们就猜测,会不会是因为没有对Future对象做处理导致的。

我们将代码微调一下,重新运行,异常信息终于打印出来了。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    Future future= executor.submit(new DivTask(100, i));
    try {
        future.get();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

PS:在使用submit()的时候一定要注意它的返回对象Future,为了避免任务执行异常被吞掉的问题,我们需要调用Future.get()方法。另外,使用execute()将不会出现这种问题。

总结

通过这篇文章,我们已经对Java线程池有了一个比较全面和深入的理解。根据前人的经验,我们需要注意下面几点:

  1. 尽量使用手动的方式创建线程池,避免使用Executors工厂类
  2. 根据场景,合理设置线程池的各个参数,包括线程池数量、队列、线程工厂和拒绝策略
  3. 在调线程池submit()方法的时候,一定要尽量避免任务执行异常被吞掉的问题

参考链接

转载自:https://www.jianshu.com/p/7ab4ae9443b9

 

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