《Java并发编程的艺术》第九章笔记

第九章 Java中的线程池

合理使用线程池的好处：

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低相称创建和销毁造成的消耗。
  • 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无节制的创建，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。

9.1 线程池的实现原理

当一个新任务提交到线程池时，线程池处理流程如下：

  1. 线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下一个流程。
  2. 线程池判断工作队列是否已满。如果工作队列未满，则将新提交的任务存储在这个工作队列中。如果工作队列满了，则将进入下一个流程。
  3. 线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

ThreadPoolExecutor执行execute方法分为下面四种情况（与上述原理类似）：

  1. 如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新的线程来执行任务。
  2. 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
  3. 如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务。
  4. 如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

注意：

  • 第一步和第三步中，创建线程需要获取全局锁。
  • ThreadPoolExecutor的总体设计思路是为了在执行execute()方法时，尽可能避免获取全局锁，因为在线程数量达到corePoolSize之后，几乎所有的execute()方法都在执行不需要全局锁的步骤2。
  • 已创建的工作线程Worker执行完成任务之后，将循环获取工作队列中的任务来执行。如果队列中获取不到任务了，线程在等待一定时间（参数设置）之后将死亡。

9.2 线程池的使用

9.2.1 线程池的创建

通过ThreadPoolExecutor来创建线程池：

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, keepAliveTime, milliseconds, runableTaskQueue, Handler); //还有TheadFactory，不传则使用默认线程工厂

参数含义如下：

  1. corePoolSize（核心池的大小）：当提交一个新任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，知道线程池中线程数达到corePoolSize，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程。如果调用线程池的preStartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程。

  2. runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务阻塞队列。可选择的阻塞队列：

    • ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，元素基于FIFO原则排序。
    • LinkedBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，排序基于FIFO。
    • 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Executor.newCacheThreadPool使用了这个队列。
    • PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无线阻塞队列。

  3. maximumPoolSize（线程池的最大数量）：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少于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。如果使用了无界的任务队列，这个参数就没有效果。

  4. ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂个i每个创建出来的线程设置更有意义的名字。一般使用ThreadFactoryBuilder，代码如下：

    new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

  5. 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，用于处理新提交任务的策略。默认是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。可选择的饱和策略：

    • AbortPolicy：直接抛出异常。
    • CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
    • DiscardOlderPolicy：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。

    也可以根据应用场景需要实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或者持久化存储不能处理的任务等。

  6. 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。如果任务多，且任务执行时间较短，可以调大时间，提高线程利用率。

  7. TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：可选的单位有DAYS、HOURS 、MINNUTES、MILLISECONDS、MICROSECONDS、NANOSECONDS。

9.2.2 向线程池提交任务

向线程池提交任务的方法有两个，分别时execute()和submit()。

  • execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。
  • submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个fature类型的对象，通过这个对象，可以判断任务是否执行成功，并且可以通过fature的get()方法来获取返回值。调用get()方法会阻塞当前线程，直到工作线程返回结果。get（long timeout, TimeUnit unit）可设置超时返回。

9.2.3 关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown()或者shutdownNow()方法来关闭线程池。

相同点：

  • 原理都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。
    • 只要调用两个方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。只有当所有任务都关闭后，才表示线程池关闭成功，这是调用isTerminated方法才返回true。

不同点：

  • shutdown()方法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，已有的任务能够执行完。
  • shutdownNow()方法首先将线程池设置为STOP状态，然后尝试停止所有正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表。

9.2.4 合理地配置线程池

需要根据任务特性来合理地配置线程池，可以从以下几个角度来分析：

  • 任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。

    • CPU密集型任务应经配置尽可能小的线程，如配置cpu数+1个线程的线程池。
    • IO密集型任务，并不是一直在执行任务，应配置尽可能多的线程，如2*cpu数
    • 混合型任务，如果可以拆分，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时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。反之，执行时间相差太大，则没必要分解。

  • 任务的优先级：高、中和低。

    • 优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。

  • 任务执行时间：长、中和短。

    • 执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

  • 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

    • 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，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，线程数应该设置得越大，才能更好地利用CPU。（类似IO密集型任务）

    建议：

    • 建议使用有界队列。有界队列能增加系统地稳定性和预警能力，可以根据许哟啊设置地大一点，比如几千。当出现任务积压时：使用有界队列，能够触发饱和策略（默认抛出任务异常）便于及时发现问题；而使用无界队列，可能会撑爆内存，导致整个系统不可用。

9.2.5 线程池地监控

如果系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控，方便在出现问题时，快速定位问题。

  • 通过线程池提供地参数进行监控。可用属性：
    • taskCount：线程池需要执行地任务数量。
    • completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成 地任务数量，小于或等于taskCount。
    • largestPoolSize0：线程池里曾经创建过地最大线程数量。可以根据这个数据直到线程池是否曾经满过。
    • getPoolSize：线程池的线程数量。
    • getAchtiveCount：获取活动的线程数。
  • 通过扩展（继承）线程池进行监控。线程池含有beforeExecute、afterExecute、terminated三个空方法。可以根据需要，通过继承线程池来自定义线程池，重写这三个方法，以实现在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来监控。
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