Java多线程 —— 线程池详解

Contents
  1. 线程池的使用
    1. 线程池的创建
    2. 向线程池提交任务
    3. 线程池的关闭
  2. 原理分析
    1. 工作流程
    2. 源码分析
  3. 合理配置线程池
  4. 线程池的监控
  5. 总结
  6. Java创建线程4种方式
    1. 继承Thread类创建线程类
    2. 通过Runable接口创建线程类
    3. 通过Callable和FutureTask创建线程
    4. 通过线程池创建线程

合理利用线程池能够带来三个好处。

  1. 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  2. 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  3. 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制的创建,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的分配,调优和监控。

但是要做到合理的利用线程池,必须对其原理了如指掌。

线程池的使用

线程池的创建

ThreadPoolExecutor的构造函数:

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

创建一个线程池需要输入几个参数:

  • corePoolSize(线程池的基本大小):当提交一个任务到线程池时,线程池会创建一个线程来执行任务,即使其他空闲的基本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,线程池会提前创建并启动所有基本线程。
  • maximumPoolSize(线程池最大大小):线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了,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线程执行任务。值得注意的是如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果
  • keepAliveTime(线程活动保持时间):线程池的工作线程空闲后,保持存活的时间。所以如果任务很多,并且每个任务执行的时间比较短,可以调大这个时间,提高线程的利用率。
  • TimeUnit(线程活动保持时间的单位):可选的单位有天(DAYS),小时(HOURS),分钟(MINUTES),毫秒(MILLISECONDS),微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
  • workQueue(任务队列):用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列:
队列 说明
ArrayBlockingQueue 是一个基于数组结构的有界阻塞队列,此队列按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。
LinkedBlockingQueue 一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按FIFO (先进先出) 排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue 一个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,否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue 一个具有优先级的无限阻塞队列。
  • ThreadFactory:用于设置创建线程的工厂,可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字,Debug和定位问题时非常有帮助。
  • RejectedExecutionHandler(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。这个策略默认情况下是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。以下是JDK1.8提供的四种策略:
策略 说明
AbortPolicy 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。
实现RejectedExecutionHandler接口 当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。

向线程池提交任务

我们可以使用execute提交的任务,但是execute方法没有返回值,所以无法判断任务知否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

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threadsPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
}
});

我们也可以使用submit方法来提交任务,它会返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功,通过future的get方法来获取返回值,get()方法会阻塞住直到任务完成,而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回,这时有可能任务没有执行完。

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try {
Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
// 处理中断异常
} catch (ExecutionException e) {
// 处理无法执行任务异常
} finally {
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}

线程池的关闭

我们可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池,但是它们的实现原理不同:

  • shutdown的原理是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;
  • shutdownNow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。shutdownNow会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。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个,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isTerminated方法会返回true。至于我们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来关闭线程池,如果任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow

原理分析

工作流程

线程池的主要工作流程如下图:

ThreadPool

我们可以看出,当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下:

  1. 首先线程池判断核心线程池是否已满?没满,创建一个工作线程来执行任务。满了,则进入下个流程。
  2. 其次线程池判断工作队列是否已满?没满,则将新提交的任务存储在工作队列里。满了,则进入下个流程。
  3. 最后线程池判断整个线程池是否已满?没满,则创建一个新的工作线程来执行任务,满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

源码分析

上面的流程分析让我们很直观的了解的线程池的工作原理,让我们再通过源代码来看看是如何实现的。线程池执行任务的方法如下:

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public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 判断核心线程池是否已满
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 判断工作队列是否已满
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
// 正在执行
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
// 饱和策略
reject(command);
}

线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后,还会无限循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker的run方法里看到这点:

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final void run() {
Runnable task = firstTask;
firstTask = null;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
try {
task.run();
} finally {
task = null;
}
}
} finally {
workerDone();
}
}

合理配置线程池

要想合理的配置线程池,就必须首先分析任务特性,可以从以下几个角度来进行分析:

  • 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。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量,如配置+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于需要等待IO操作,线程并不是一直在执行任务,则配置尽可能多的线程,如2*。混合型的任务,如果可以拆分,则将其拆分成一个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率要高于串行执行的吞吐率,如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解。我们可以通过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得到执行,需要注意的是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,或者也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,如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置越大,这样才能更好的利用CPU。

线程池的监控

线程池里有一些属性在监控线程池的时候可以使用,我们可以通过线程池提供的参数进行监控。

  • 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满过。如等于线程池的最大大小,则表示线程池曾经满了。
  • getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话,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。

总结

总结一下线程池从启动到工作的流程:

  • 刚创建时,里面没有线程;
  • 调用execute()添加任务时:
  • 1)如果正在运行的线程数量 < corePoolSize,继续创建线程运行这个任务;
  • 2)否则,如果正在运行的线程数量 >= corePoolSize,将任务加入到阻塞队列中;
  • 3)否则,如果队列已满,同时正在运行的线程数量 < maximumPoolSize,继续创建线程运行这个任务;
  • 4)否则,如果队列已满,同时正在运行的线程数量 >= maximumPoolSize,根据设置的拒绝策略处理;
  • 5)完成一个任务,继续取下一个任务处理;
  • 6)没有任务继续处理,线程被中断或者线程池被关闭时,线程退出执行,如果线程池被关闭,线程结束;
  • 7)否则,判断线程池正在运行的线程数量是否大于corePoolSize,如果是,线程结束,否则线程阻塞(就绪状态)。因此线程池任务全部执行完成后,继续留存的线程池大小为corePoolSize。

Java创建线程4种方式

总结一下共有4种方式来创建线程。

继承Thread类创建线程类

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public class FirstThreadTest extends Thread {
int i = 0;
//重写run方法,run方法的方法体就是线程执行体
public void run() {
for (; i < 100; i++) {
System.out.println(getName() + " " + i);
}
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
if (i == 20) {
new FirstThreadTest().run();
new FirstThreadTest().run();
}
}
}
}

通过Runable接口创建线程类

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public class RunnableThreadTest implements Runnable {
private int i;
public void run() {
for (i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
}
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
if (i == 20) {
RunnableThreadTest rtt = new RunnableThreadTest();
new Thread(rtt, "新线程1").start();
new Thread(rtt, "新线程2").start();
}
}
}
}

通过Callable和FutureTask创建线程

  1. 创建Callable接口的实现类,并实现call()方法;
  2. 创建Callable实现类的实例,使用FutureTask类来包装Callable对象,该FutureTask对象封装了该Callback对象的call()方法的返回值;
  3. 使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动新线程;
  4. 调用FutureTask对象的get()方法来获得子线程执行结束后的返回值。
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import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {
public static void main(String[] args) {
CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();
FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<Integer>(ctt);
// Thread thread = new Thread(ft, "有返回值的线程");
// thread.start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的循环变量i的值" + i);
if (i == 20) {
new Thread(ft, "有返回值的线程").start();
}
}
try {
System.out.println("子线程的返回值:" + ft.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public Integer call() throws Exception {
int i = 0;
for (; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
}
return i;
}
}

通过线程池创建线程

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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPool {
/* POOL_NUM */
private static int POOL_NUM = 10;
/**
* Main function
*/
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 0; i < POOL_NUM; i++) {
RunnableThread thread = new RunnableThread();
executorService.execute(thread);
}
}
}
class RunnableThread implements Runnable {
private int THREAD_NUM = 10;
public void run() {
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread() + " " + i);
}
}
}

参考聊聊并发(三)Java线程池的分析和使用