第3章 JDK并发包（三）

3.2 线程复用：线程池

  • 一种最为简单的线程创建和回收的方法类似如下代码：
new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // do sth.
    }
}).start();
  • 在run方法结束后，自动回收。
  • 在真实的生产环境中，系统由于真实环境的需要，可能会开启很多线程来支撑其应用。而当线程数量过大时，反而会耗尽CPU和内存资源。

3.2.1 什么是线程池

  • 为了避免系统频繁地创建和销毁线程，我们可以让创建的线程进行复用。
  • 在使用线程池后，创建线程变成了从线程池获得空闲线程，关闭线程变成了向池子归还线程。如图3.3所示。

3.2.2 不要重复发明轮子：JDK对线程池的支持

  • 为了能够更好地控制多线程，JDK提供了一套Executor框架，帮助开发人员有效地进行线程控制，其本质就是一个线程池。它的核心成员如图3.4所示。

  • 以上成员均在java.util.concurrent包中，是JDK并发包的核心类。其中ThreadPoolExecutor表示一个线程池。Executors类则扮演着线程池工厂的角色，通过Executors可以取得一个拥有特定功能的线程池。从UML图中亦可知，ThreadPoolExecutor类实现了Executor接口，因此通过这个接口，任何Runable的对象都可以被ThreadPoolExecutor线程池调度。

  • Executor框架提供了各种类型的线程池，主要有以下工厂方法：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
public static ExecutorService newCachedThreadPool()
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
  • 以上工厂方法分别返回具有不同工作特性的线程池。这些线程池工厂方法的具体说明如下。
  • newFixedThreadPool()方法：该方法返回一个固定线程数量的线程池。该线程池中的线程数量始终不变。当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即执行。若没有，则新的任务会被暂存在一 个任务队列中，待有线程空闲时，便处理在任务队列中的任务。
  • newSingleThreadExecutor()方法：该方法返回一个只有一个线程的线程池。若多余一个任务被提交到该线程池，任务会被保存在一个任务队列中，待线程空闲，按先入先出的顺序执行队列中的任务。
  • newCachedThreadPool()方法：该方法返回一个可根据实际情况调整线程数量的线程池。线程池的线程数量不确定，但若有空闲线程可以复用，则会优先使用可复用的线程。若所有线程均在工作，又有新的任 务提交，则会创建新的线程处理任务。所有线程在当前任务执行完毕后，将返回线程池进行复用。
  • newSingleThreadScheduledException()方法：该方法返回一个ScheduledExecutorService对象，线程池大小为1。ScheduledExecutorService接口在ExecutorService接口之上扩展了在给定时间执行某任务的 功能，如在某个固定的延时之后执行，或者周期性执行某个任务。
  • newScheduledThreadPool()方法：该方法也返回一个ScheduledExecutorService对象，但该线程池可以指定线程数量。

1. 固定大小的线程池

  • 这里，我们以newFixedThreadPool()为例，简单地展示线程池的使用：
public class ThreadPoolDemo {
    public static class MyTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":Thread ID:" + Thread.currentThread().getId());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        MyTask task = new MyTask();
        //创建了固定大小的线程池，内有5个线程。
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 0; i++) {
            //依次向线程池提交了10个任务。
            es.submit(task);
        }
    }
}
  • 执行上述代码，可以得到类似以下输出：
1516433842800:Thread ID:11
1516433842800:Thread ID:12
1516433842800:Thread ID:15
1516433842800:Thread ID:13
1516433842800:Thread ID:14
1516433843800:Thread ID:12
1516433843800:Thread ID:15
1516433843800:Thread ID:11
1516433843800:Thread ID:13
1516433843801:Thread ID:14
  • 这个输出就表示这10个线程的执行情况。很显然，前5个任务和后5个任务的执行时间正好相差1秒钟，并且前5个任务的线程ID和后5个任务也是完全一致的。这说明在这10个任务中，是分成2批次执行 的。这也完全符合一个只有5个线程的线程池的行为。

2. 计划任务

  • 另外一个值得注意的方法是newScheduledThreadPool()。它返回一个ScheduledExecutorService对象，可以根据时间需要对线程进行调度。它的一些主要方法如下：
public ScheduledFuture<?> scheduled(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);
public ScheduledFuture<?> scheduledAtFixedRate(Runnable command,
                                               long initialDelay,
                                               long period,
                                               TimeUnit unit);
public ScheduledFuture<?> scheduledWithFixedDelay(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long delay,
                                                  TimeUnit unit)

  • 与其他几个线程池不同，ScheduledExecutorService并不一定会立即安排执行任务。它其实起到了计划任务的作用。它会在指定的时间，对任务进行调度。如果大家使用过Linux下的crontab工具应该就 能很容易地理解它了。

  • 作为说明，这里给出了三个方法。方法schedule()会在给定时间，对任务进行一次调度。方法scheduleAtFixedRate()和scheduleWithFixedDelay()会对任务进行周期性的调度。但是两者有一点小小的 区别，如图3.5所示。

  • 对于FixedRate方式来说，任务调度的频率是一定的。它是以上一个任务开始执行时间为起点，之后的period时间，调度下一次任务。而FixDelay则是在上一个任务结束后，再经过delay时间进行任务 调度。

  • 官方文档中的描述，从而可以更精确地理解两者的差别：

  • 下面的例子使用scheduledAtFixedRate()方法调度一个任务。这个任务会执行1秒钟时间，调度周期是2秒。也就是说每2秒钟，任务就会被执行一次。

public class ScheduledExecutorServiceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ScheduledExceptorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(10);
        //如果当前的任务没有完成，则调度也不会启动
        ses.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() / 1000);
                } catch (InterruptedExcepiton e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);
    }
}
  • 执行上述代码，输出如下：
1516435640
1516435642
1516435644
1516435646
1516435648
1516435650
1516435652
  • 实际上，ScheduledExecutorService不会让任务堆叠出现。改代码成
Thread.sleep(8000);
  • 再执行上述代码，你就会发现任务的执行周期不再是2秒，而是变成了8秒。
1516435834
1516435842
1516435850
  • 也就是说，周期如果太短，那么任务就会在上一个任务结束后，立即被调用。可以想象，如果采用scheduledWithFixedDelay()，并且按照修改8秒，调度周期2秒计，那么任务的实际间隔将是10秒。
  • 注意：如果任务遇到异常，那么后续的所有子任务都会停止调度，因此，必须保证异常被及时处理，为周期性任务的稳定调度提供条件。

3.2.3 刨根究底：核心线程池的内部实现

  • 下面给出了这三个线程池的实现方式
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBolockingQueue<Runnable>());
}

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

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                            60L, TimeUnit.SECONDS,
                            new SynchronousQueue<Runnable>());
}
  • 由以上线程池的实现代码可以看到，它们都只是ThreadPoolExecutor类的封装。为何ThreadPoolExecutor有如此强大的功能呢？来看一下ThreadPoolExecutor最重要的构造函数：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                        int maximumPoolSize,
                        long keepAliveTime,
                        TimeUnit unit,
                        BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                        ThreadFactory threadFactory,
                        RejectedExecutionHandler handler)
  • 函数的参数含义如下：
    • corePoolSize：指定了线程池中的最大线程数量。
    • maximumPoolSize：指定了线程池中的最大线程数量。
    • keepAliveTime：当线程池线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程的存活时间。即，超过corePoolSize的空闲线程，在多长时间内，会被销毁。
    • unit：keepAliveTime的单位。
    • workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。
    • threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可。
    • handler：拒绝策略。当任务太多来不及处理，如何拒绝任务。
  • 以上参数中，大部分都很简单，只有workQueue和handler需要进行详细说明。
  • 参数workQueue指被提交但未执行的任务队列，它是一个BlockingQueue接口的对象，仅用于存放Runnable对象。根据队列功能分类，在ThreadPoolExecutor的构造函数中使用以下几种BlockingQueue。
    • 直接提交的队列：该功能由SynchronousQueue对象提供。SynchronousQueue是一个特殊的BlockingQueue。SynchronousQueue没有容量，每一个插入操作都要等待一个相应的删除操作，反之，每一个删除操作都要等待对应的插入操作。如果使用SynchronousQueue，提交的任务不会被真实的保存，而总是将新任务提交给线程执行，如果没有空闲的线程，则尝试创建新的线程，如果线程数量已经达到最大值，则执行拒绝策略。因此，使用SynchronousQueue队列，通常要设置很大的maximumPoolSize值，否则很容易执行拒绝策略。
    • 有界的任务队列：有界的任务队列可以使用ArrayBlockingQueue实现。ArrayBlockingQueue的构造函数必须带一个容量参数，表示该队列的最大容量，如下所示。
public ArrayBlockingQueue(int capacity)

  • 当使用有界的任务队列时，若有新的任务需要执行，如果线程池的实际线程数小于corePoolSize，则会优先创建新的线程，若大于corePoolSize，则会将新任务加入等待队列。若等待队列已满，无法加入，则在总线程数不大于maximumPoolSize的前提下，创建新的线程执行任务。若大于maximumPoolSize，则执行拒绝策略。可见，有界队列仅当在任务队列装满时，才可能将线程数提升到corePoolSize以上，换言之，除非系统非常繁忙，否则确保核心线程数维持在corePoolSize。

    • 无界的任务队列：无界任务队列可以通过LinkedBolockingQueue类实现。与有界队列相比，除非系统资源耗尽，否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况。当有新的任务到来，系统的线程小于corePoolSize时，线程池会生成新的线程执行任务，但当系统的线程数达到corePoolSize后，就不会继续增加。若后续仍有新的任务加入，而又没有空闲的线程资源，则任务直接进入等待队列。若任务创建和处理的速度差异很大，无界队列会保持快速增长，直到耗尽系统内存。
    • 优先任务队列：优先任务队列是带有执行优先级的队列。它通过PriorityBlockingQueue实现，可以控制任务的执行先后顺序。它是一个特殊的无界队列。无论是有界队列ArrayBlockingQueue，还是未指定大小的无界队列LinkedBlockingQueue都是按照先进先出算法处理任务的。而PriorityBlockingQueue则可以根据任务自身的优先级顺序先后执行，在确保系统性能的同时，也能用有很好的质量保证。

  • 回顾newFixedThreadPool()方法的实现。它返回了一个corePoolSize和maximumPoolSize大小一样的，并且使用了LinkedBlockingQueue任务队列的线程池。因为对于固定大小的线程池而言，不存在线 程数量的动态变化，因此corePoolSize和maximumPoolSize可以相等。同时，它使用无界队列存放无法立即执行的任务，当任务提交非常频繁的时候，该队列可能迅速膨胀，从而耗尽系统资源。

  • newSingleThreadExecutor()返回的单线程线程池，是newFixedThreadPool()方法的一种退化，只是简单的将线程池线程数量设置为1.

  • newCachedThreadPool()方法返回corePoolSize为0，maximumPoolSize无穷大的线程池，这意味着在没有任务时，该线程池内无线程，而当任务被提交时，该线程池会使用空闲的线程执行任务，若无空闲线程，则将任务加入SynchronousQueue队列，而SynchronousQueue队列是一种直接提交的队列，它总会迫使线程池增加新的线程执行任务。当任务执行完毕后，由于corePoolSize为0，因此空闲线程又会在指定时间内（60秒）被回收。

  • 对于newCacheThreadPool(),如果同时有大量任务被提交，而任务的执行又不那么快时，那么系统便会开启等量的线程处理，这样做法可能会很快耗尽系统的资源。

  • 这里给出ThreadPoolExecutor线程池的核心调度代码，这段代码也充分体现了上述线程池的工作逻辑：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null) {
        throw new NullPinterException();
    }
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) {
            return;
        }
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command) {
        int recheck = ctl.get();
        if (!isRunning(recheck) && remove(command)) {
            reject(command);
        } else if (workerCountOf(recheck) == 0) {
            addWorker(null, false);
        } 
    } else if (!addWorker(command, false)) {
            reject(command);
        }
}
  • workerCountOf()函数取得了当前线程池的线程总数。当线程总数小于corePoolSize核心线程数时，会将任务通过addWorker()方法直接调度执行。否则，则在workQueue.offer()进入等待队列。如果进入等待队列失败（比如有界队列到达了上限，或者使用了SynchronousQueue），则会执行addWorker()，将任务直接提交给线程池。如果当前线程数已达到maximumPoolSize，则提交失败，就执行reject()拒绝策略。
  • 调度逻辑可以总结为如图3.6所示。

3.2.4 超负载了怎么办：拒绝策略

  • JDK内置提供了四种拒绝策略，如图3.7所示。

  • JDK内置的拒绝策略如下。

    • AbortPolicy策略：该策略会直接抛出异常，阻止系统正常工作。
    • CallerRunsPolicy策略：只要线程池未关闭，该策略直接在调用者线程中，运行当前被丢弃的任务。显然这样做不会真的丢弃任务，但是，任务提交线程的性能极有可能会急剧下降。
    • DiscardOledestPolicy策略：该策略将丢弃最老的一个请求，也就是即将被执行的一个任务，并尝试再次提交当前任务。
    • DiscardPolicy策略：该策略默默地丢弃无法处理的任务，不予任何处理。

  • 以上内置的策略均实现了RejectedExecutionHandler接口，若以上策略仍无法满足实际应用需要，完全可以自己扩展RejectedExecutionHandler接口。RejectedExecutionHandler的定义如下：

public interface RejectedExecutionHandler {
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}
  • 其中r为请求执行的任务，executor为当前的线程池。
  • 下面的代码简单地演示了自定义线程池和拒绝策略的使用。
public class RejectThreadPoolDemo {
    public static class MyTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":Thread ID:" + 
                            Thread.currentThread().getId());
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTask task = new MyTask();
        ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(10),
                                Executors.defaultThreadFactory(),
                                new RejectedExecutionHandler() {
                                    @Override
                                    public void rejectedExecution(Runnable r,
                                    ThreadPoolExecutor executor) {
                                        System.out.println(r.toString() +" is discard");
                                    }
        });
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            es.submit(task);
            Thread.sleep(10);
        }
    }
}
  • 上述代码自定义了一个线程池。该线程池有5个常驻线程，并且最大线程数也是5个。这和固定大小的线程池是一样的。但是它却拥有一个只有10个容量的等待队列。因为使用无界队列很可能并不是最佳解决方案，如果任务量极大，很有可能会把内存撑爆。给出一个合理的队列大小，也是合乎常理的选择。同时，这里自定义了拒绝策略，我们不抛出异常，因为万一在任务提交端没有进行异常处理，则有可能使得整个系统都崩溃，这极有可能不是我们希望遇到的。但作为必要的信息记录，我们将任务丢弃的信息进行打印，当然，这只比内置的DiscardPolicy策略高级那么一点点。
  • 由于在这个案例中，MyTask执行需要花费100毫秒，因此，必然会导致大量的任务被直接丢弃。执行上述代码，可能的部分输出如下：
1516452217493:Thread ID:11
1516452217502:Thread ID:12
java.util.concurrent.FutureTask@5cad8086 is discard
java.util.concurrent.FutureTask@6e0be858 is discard
  • 可以看到，在执行几个任务后，拒绝策略就开始生效了。在实际应用中，我们可以将更详细的信息记录到日志中，来分析系统的负载和任务丢失的情况。
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