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聊聊并发（五）——线程池

并发 服务 线程
2023-03-15 21:58:08 时间

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一、概述

1、介绍

　　在使用线程时，需要new一个，用完了又要销毁，这样频繁的创建和销毁很耗资源，所以就提供了线程池。道理和连接池差不多，连接池是为了避免频繁的创建和释放连接，所以在连 接池中就有一定数量的连接，要用时从连接池拿出，用完归还给连接池，线程池也一样。 　　线程池：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多 个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。

　　脑图：https://www.processon.com/view/link/61849ba4f346fb2ecc4546e5

2、简单使用

　　线程池用法很简单， 分为三步。首先用工具类Executors创建线程池，然后给线程池分配任务，最后关闭线程池就行了。

 1 public class ThreadPoolTest {
 2     public static void main(String[] args) throws Exception {
 3 
 4         // 1.创建一个 10 个线程数的线程池
 5         ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
 6 
 7         // 2.执行一个Runnable
 8         service.execute(new Number1());
 9 
10         // 2.提交一个Callable
11         Future<Integer> future = service.submit(new Number2());
12         Integer integer = future.get();
13         System.out.println("result = " + integer);
14 
15         // 关闭线程池
16         service.shutdown();
17     }
18 }
19 
20 class Number1 implements Runnable {
21 
22     @Override
23     public void run() {
24         System.out.println("----打印Runnable----");
25     }
26 }
27 
28 // 10以内数求和
29 class Number2 implements Callable<Integer> {
30     private int sum = 0;
31 
32     @Override
33     public Integer call() {
34         for (int i = 0; i <= 10; i++) {
35             if (i % 2 == 0) {
36                 sum += i;
37             }
38         }
39         return sum;
40     }
41 }

注意：线程用完，要关闭线程池，否则程序依然在运行中。

3、相关API

　　JDK 5.0 起提供了线程池相关API：顶级接口Executor，及子接口 ExecutorService 和工具类Executors。

　　JUC包描述：图片来源API文档

Executors：工具类，线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。

 1 // 一池N线程：创建一个固定（可重用）线程数的线程池。
 2 ExecutorService Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)
 3 
 4 // 一池一线程：创建一个只有一个线程的线程池。
 5 ExecutorService Executors.newSingleThreadExecutor()
 6 
 7 // 可扩容：创建一个可根据需要线程数，创建新的线程的线程池。
 8 ExecutorService Executors.newCachedThreadPool()
 9 
10 // 可用于调度：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期的执行。
11 ScheduledExecutorService Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

　　ExecutorService：

 1 // 执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
 2 void execute(Runnable command)
 3 
 4 // 可用于提交一个Runnable，但没有返回值
 5 Future<?> submit(Runnable task)
 6 
 7 // 执行任务，有返回值，一般用来执行Callable
 8 <T> Future<T> submit(Callable<T> task)
 9 
10 // 关闭连接池
11 void shutdown()

4、使用举例

　　代码示例：创建固定 5 个线程的线程池为 10 个任务服务。

 1 public class ThreadPoolTest {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         // 1.创建一个 10 个线程数的线程池
 4         ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
 5 
 6         try {
 7             for (int i = 0; i < 10; i++) {
 8                 int finalI = i;
 9                 service.execute(() -> {
10 
11                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 为客户 " + finalI + " 办理业务~");
12 
13 //                    try {
14 //                        Thread.sleep(1000_000);
15 //                    } catch (InterruptedException e) {
16 //                        e.printStackTrace();
17 //                    }
18 
19                 });
20             }
21         } finally {
22             service.shutdown();
23         }
24     }
25 }
26 
27 // 可能的一种结果
28 pool-1-thread-1 为客户 0 办理业务~
29 pool-1-thread-2 为客户 1 办理业务~
30 pool-1-thread-2 为客户 6 办理业务~
31 pool-1-thread-2 为客户 7 办理业务~
32 pool-1-thread-2 为客户 8 办理业务~
33 pool-1-thread-1 为客户 5 办理业务~
34 pool-1-thread-2 为客户 9 办理业务~
35 pool-1-thread-3 为客户 2 办理业务~
36 pool-1-thread-4 为客户 3 办理业务~
37 pool-1-thread-5 为客户 4 办理业务~

　　可以看到，银行 5 个窗口为 10 个客户相继服务。若前面服务时间长（打开注释），线程池便没有新的线程来执行任务了。程序会陷入等待中。 　　代码示例：创建单个线程的线程池为 10 个线程服务。代码同上，只修改：

1 ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();

　　代码示例：创建可扩容线程的线程池为 10 个线程服务。代码同上，只修改：

1 ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

5、线程池好处

　　为什么要用线程池管理线程呢？当然是为了线程复用。 　　背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。 　　思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁的创建和销毁，实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。 　　好处：提高响应速度（减少了创建新线程的时间）；降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）；便于线程管理。

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二、线程池设计与实现

1、介绍

　　前面介绍了三种（固定数、单一的、可变的）创建线程池的方式，实际工作用哪一个呢？都不使用！为什么呢？ 《阿里巴巴Java开发手册》明确规定：线程池不允许使用Executors创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，规避资源耗尽风险。

　　查看源码，可以看到，用Executors创建线程池的三种方式中，都 new 了一个 ThreadPoolExecutor。所以，实际生产一般通过 ThreadPoolExecutor 的 7 个参数，自定义线程池。 　　源码示例：7 个参数的构造器。

 1 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
 2                           int maximumPoolSize,
 3                           long keepAliveTime,
 4                           TimeUnit unit,
 5                           BlockingQueue<Runnable> workQueue,
 6                           ThreadFactory threadFactory,
 7                           RejectedExecutionHandler handler) {
 8     if (corePoolSize < 0 ||
 9         maximumPoolSize <= 0 ||
10         maximumPoolSize < corePoolSize ||
11         keepAliveTime < 0)
12         throw new IllegalArgumentException();
13     if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
14         throw new NullPointerException();
15     this.corePoolSize = corePoolSize;
16     this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
17     this.workQueue = workQueue;
18     this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
19     this.threadFactory = threadFactory;
20     this.handler = handler;
21 }

2、银行服务

　　介绍线程池之前，先来看一个生活中的案例。银行业务办理流程，如图：

　　某银行一共有 5 个服务窗口，但平时一般只开放两个，另外三个不开放。大厅中还有 10 个等待服务的座位。某天： 　　（1）客人1（用Thread1表示）来办理业务，他就直接去开放的窗口1办理（假设他需要服务的时间很长，一直在服务中，后面的也一样）。 　　（2）Thread2来办理业务，由于窗口1在服务中，所以他去了开放的窗口2办理。 　　（3）Thread3来办理业务，由于窗口1和窗口2都在服务中，所以他去了大厅的等待服务座位上排队等待。 　　（4）Thread4~Thread12 同理Thread3。 　　（5）Thread13来办理业务，由于窗口1和窗口2都在服务中，且此时大厅的等待座位上也已满。银行经理便将关闭的窗口3打开来为Thread13服务。注意：这里并不是Thread13去大厅排队，然后队列中队头元素Thread3出队接受服务。而是直接为Thread13服务。 　　（6）Thread14，Thread15来办理业务，会开放窗口4为Thread14服务，开放窗口5为Thread15服务。 　　（7）Thread16来办理业务，此时，已无可用窗口，且大厅的等待座位上也已满。银行便拒绝再为 Thread16 服务。 　　说明：若 Thread13、Thread14、Thread15 业务办理完毕后，没有新的客人来银行办理业务。那么窗口3、窗口4、窗口5会在一定时间后又关闭起来。

3、核心参数（重要）

　　下面介绍 ThreadPoolExecutor 构造器中的 7 个核心参数。

　　corePoolSize：线程池的核心线程数。 　　maximumPoolSize：线程池的最大线程数，要大于corePoolSize。 　　keepAliveTime：非核心线程闲置下来最多存活的时间。 　　unit：线程池中非核心线程保持存活的时间单位，与keepAliveTime一起使用。 　　workQueue：用来保存提交后，等待执行任务的阻塞队列。 　　threadFactory：创建线程的工厂类。 　　handler：拒绝策略。

　　在理解上一节"银行服务"的过程后，就不难理解上面 7 个参数的含义。

corePoolSize = 2：窗口1 + 窗口2。 　　maximumPoolSize = 5：窗口1 + 窗口2 + 窗口3 + 窗口4 + 窗口5。 　　workQueue = 10：银行大厅排队队列的大小。关于阻塞队列 BlockingQueue<Runnable> workQueue 请看这篇。 　　keepAliveTime + unit："窗口3、窗口4、窗口5会在一定时间后又关闭起来"的时间。 　　handler："银行便拒绝再为 Thread16 服务"的拒绝方式。

　　在了解 ThreadPoolExecutor 7个核心参数的作用后，再看Executors创建的三种线程池的源码，就不难理解他们的作用。也就明白为什么《阿里巴巴Java开发手册》中禁止使用Executors创建，而要使用ThreadPoolExecutor自定义线程池。 　　源码示例： 　　一池N线程：创建一个固定（可重用）线程数的线程池。

 1 ExecutorService Executors.newFixedThreadPool(int nThreads);
 2 
 3 public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
 4     return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
 5                                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
 6                                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
 7 }
 8 
 9 public LinkedBlockingQueue() {
10     this(Integer.MAX_VALUE);
11 }

　　一池一线程：创建一个只有一个线程的线程池。

 1 ExecutorService Executors.newSingleThreadExecutor();
 2 
 3 public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
 4     return new FinalizableDelegatedExecutorService
 5         (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
 6                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
 7                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
 8 }
 9 
10 public LinkedBlockingQueue() {
11     this(Integer.MAX_VALUE);
12 }

　　可扩容：创建一个可根据需要线程数，创建新的线程的线程池。

1 ExecutorService Executors.newCachedThreadPool();
2 
3 public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
4     return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
5                                   60L, TimeUnit.SECONDS,
6                                   new SynchronousQueue<Runnable>());
7 }

4、工作流程（重要）

　　在理解"银行服务"的过程后，其实也就说清楚了线程池的工作流程。只是一些细节没有说，比如： 　　（1）窗口3为Thread13服务完成后，Thread14才来，情况如何？ 　　（2）…… 　　代码示例：银行 2+3 个窗口为陆续来的 16 个客户服务。

 1 public class ThreadPoolDemo {
 2     public static void main(String[] args) throws Exception {
 3         // 模拟上图中 2 + 3 + 10(大厅排队长度) 的线程池
 4         ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
 5                 2, 5
 6                 , 6, TimeUnit.SECONDS
 7                 , new ArrayBlockingQueue<>(10)
 8                 , Executors.defaultThreadFactory()
 9                 , new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
10 
11         // 创建16个线程模拟16个客户
12         final int num = 16;
13         for (int i = 1; i <= num; i++) {
14             int finalI = i;
15 
16             // 这里主要为了给线程起名字.
17             Thread thread = new Thread(() -> {
18                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=====" + finalI + " 号客人开始服务");
19 
20                 // 假设 13 和 16 服务很快.
21                 if (finalI != 16 && finalI != 13) {
22                     try {
23                         // 正在为 finalI 号客户服务中
24                         Thread.sleep(1000_000);
25                     } catch (InterruptedException e) {
26                         e.printStackTrace();
27                     }
28                 }
29 
30                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=====" + finalI + " 号客人服务结束");
31             }, "------" + i);
32 
33             System.out.println(thread.getName() + " 号客人来了");
34             executor.execute(thread);
35 
36             // 让主线程休息一下,保证上面开启的线程先执行.
37             Thread.sleep(200);
38         }
39 
40         // 保证上面的线程执行完
41         Thread.sleep(1_000);
42 
43         System.out.println("===核心线程数===" + executor.getCorePoolSize());
44         System.out.println("===总任务数=====" + executor.getTaskCount());
45 
46         final BlockingQueue<Runnable> queue = executor.getQueue();
47         System.out.println("===正在排队====" + queue.size());
48 
49         System.out.println("===最大线程数===" + executor.getMaximumPoolSize());
50         System.out.println("==============" + executor.getPoolSize());
51         System.out.println("===完成任务数===" + executor.getCompletedTaskCount());
52         System.out.println("==============" + executor.getLargestPoolSize());
53 
54         executor.shutdown();
55     }
56 }
57 
58 // 结果(程序未停止)
59 ------1 号客人来了
60 pool-1-thread-1=====1 号客人开始服务
61 ------2 号客人来了
62 pool-1-thread-2=====2 号客人开始服务
63 ------3 号客人来了
64 ------4 号客人来了
65 ------5 号客人来了
66 ------6 号客人来了
67 ------7 号客人来了
68 ------8 号客人来了
69 ------9 号客人来了
70 ------10 号客人来了
71 ------11 号客人来了
72 ------12 号客人来了 // 到这里都不难理解
73 ------13 号客人来了
74 pool-1-thread-3=====13 号客人开始服务
75 pool-1-thread-3=====13 号客人服务结束 // 开放窗口3为客户13立刻服务完毕.
76 pool-1-thread-3=====3 号客人开始服务 // 阻塞队列,队头 客户3 出队接受窗口3的服务
77 ------14 号客人来了 // 加入阻塞队列队尾
78 ------15 号客人来了
79 pool-1-thread-4=====15 号客人开始服务
80 ------16 号客人来了
81 pool-1-thread-5=====16 号客人开始服务
82 pool-1-thread-5=====16 号客人服务结束
83 pool-1-thread-5=====4 号客人开始服务
84 ===核心线程数===2
85 ===总任务数=====16
86 ===正在排队====9
87 ===最大线程数===5
88 ==============5
89 ===完成任务数===2
90 ==============5

其他的情况，可通过修改代码示例中相关参数进行测试，自然就理解。

5、如何配置线程数

　　线程在Java中属于稀缺资源，线程池不是越大越好，也不是越小越好。那么，线程池的参数要如何设置才合理呢？ 　　任务分为CPU密集型、IO密集型、混合型。 　　CPU密集型：大部分都在用CPU跟内存，加密，逻辑操作，业务处理等。 　　IO密集型：数据库链接，网络通讯传输等。 CPU密集型：一般推荐线程池不要过大，一般是CPU数 + 1，+1是因为可能存在页缺失（就是可能存在有些数据在硬盘中需要多来一个线程将数据读入内存）。如果线程池数太大，可能会频繁的进行线程上下文切换跟任务调度。 　　获得当前CPU核心数代码如下：

1 Runtime.getRuntime().availableProcessors();

IO密集型：线程数适当大一点，机器的CPU核心数*2。 混合型：可以考虑根绝情况将它拆分成CPU密集型和IO密集型任务，如果执行时间相差不大，拆分可以提升吞吐量，反之没有必要。

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三、拒绝策略

1、介绍

　　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，就会调用这个接口里的这个方法。也就是"银行便拒绝再为 Thread16 服务"的拒绝方式。

1 public interface RejectedExecutionHandler {
2     void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
3 }

2、4种拒绝策略

　　ThreadPoolExecutor 提供了四种拒绝策略，分别是 　　AbortPolicy：直接抛出异常，这也是默认策略。 　　CallerRunsPolicy：返回给调用者处理。用调用者所在线程来运行任务。 　　DiscardOldestPolicy：抛弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加入队列中尝试再次提交当前任务。 　　DiscardPolicy：不处理，直接丢弃当前任务。

　　代码示例：4种拒绝策略，代码同上，只需修改：

 1 // 1.去掉这个if条件
 2 if (finalI != 16 && finalI != 13) {}
 3 
 4 
 5 
 6 // 2.1 线程池创建时拒绝策略为：
 7 new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
 8 // 2.1 结果,直接抛出了异常.(只截取了最后一点)
 9 ------16 号客人来了
10 Exception in thread "main" java.util.concurrent.RejectedExecutionException
11 
12 
13 
14 // 2.2 线程池创建时拒绝策略为：
15 new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
16 // 2.2 结果,返回给调用者main处理了.(只截取了最后一点)
17 ------16 号客人来了
18 main=====16 号客人开始服务
19 
20 
21 
22 // 2.3 线程池创建时拒绝策略为：
23 new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()
24 // 2.3 结果,见下图
25 
26 
27 
28 // 2.4 线程池创建时拒绝策略为：
29 new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()
30 // 2.4 结果(丢弃了任务,没有任何处理)

　　通过debug断点的方式，可以查看到：DiscardOldestPolicy策略中，此时阻塞队列中是客户4~客户16。也就是客户3 出队，被抛弃，客户16入队等待。

3、自定义拒绝策略

　　如果不使用线程池提供的4种拒绝策略，也可以自己实现拒绝策略的接口，实现对这些超出数量的任务的处理。比如：为被拒绝的任务开启一个新的线程执行，如下。

 1 // 线程池创建时拒绝策略为：
 2 new MyRejectedExecutionHandler()
 3 // 结果
 4 ------16 号客人来了
 5 ---开启新线程处理任务---=====16 号客人开始服务
 6 
 7 
 8 // 自定义的策略拒绝
 9 class MyRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler {
10 
11     @Override
12     public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
13         new Thread(r, "---开启新线程处理任务---").start();
14     }
15 }

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