Java 线程池 Thread Pool

更多 Java 并发编程方面的文章,请参见文集《Java 并发编程》


线程组 Thread Group

线程的集合,不推荐使用。

线程池 Thread Pool 介绍

所在包:java.util.concurrent

线程池用于多线程处理中,它可以根据系统的情况,可以有效控制线程执行的数量,优化运行效果。
线程池做的工作主要是控制运行的线程的数量,处理过程中将任务放入队列,然后在线程创建后启动这些任务,如果线程数量超过了最大数量,超出数量的线程排队等候,等其它线程执行完毕,再从队列中取出任务来执行。

线程池的3个优点:

  • 线程复用,不需要频繁的创建和销毁线程
  • 控制最大并发数,提高系统资源利用率,同时避免过多的资源竞争,避免堵塞
  • 管理线程

目的:减少大量创建和销毁线程带来的时间和空间上的消耗。

线程池的组成

一般的线程池主要分为以下4个组成部分:

  • 线程池管理器:用于创建并管理线程池
  • 工作线程:线程池中的线程
  • 任务接口:每个任务必须实现的接口,用于工作线程调度其运行
  • 任务队列:用于存放待处理的任务,提供一种缓冲机制

线程池框架

Java 中的线程池是通过 Executor 框架实现的,该框架中用到了 ExecutorExecutorsExecutorServiceThreadPoolExecutorCallableFutureFutureTask 这几个类。

  • Executor:所有线程池的接口,只有一个方法
  • ExecutorsExecutor 的工厂类,提供了创建各种不同线程池的方法,返回的线程池都实现了ExecutorService 接口
  • ThreadPoolExecutor:线程池的具体实现类,一般所有的线程池都是基于这个类实现的

ThreadPoolExecutor 的构造方法如下:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

其中:

  • corePoolSize
    • 线程池的核心线程数,线程池中运行的线程数也永远不会超过 corePoolSize
    • 在没有设置 allowCoreThreadTimeOuttrue 的情况下,核心线程会在线程池中一直存活,即使处于闲置状态
  • maximumPoolSize
    • 线程池中允许的最大线程数
    • 当活动线程(核心线程+非核心线程)达到这个数值后,后续任务将会根据 RejectedExecutionHandler 来进行拒绝策略处理
  • keepAliveTime
    • 非核心线程 闲置时的超时时长。超过该时长,非核心线程就会被回收。
    • 若线程池通过 allowCoreThreadTimeOut() 方法设置 allowCoreThreadTimeOut 属性为 true,则该时长同样会作用于核心线程,AsyncTask 配置的线程池就是这样设置的
  • unit
    • 是一个枚举,它表示的是 keepAliveTime 的单位
  • workQueue
    • 工作队列,用于存放不能被及时处理掉的任务的一个队列,通过线程池的 execute() 方法提交的 Runnable 对象会存储在该队列中
    • 它是一个 BlockingQueue 类型。关于 BlockingQueue,虽然它是 Queue 的子接口,但是它的主要作用并不是容器,而是作为线程同步的工具,他有一个特征,当生产者试图向 BlockingQueue 放入(put)元素,如果队列已满,则该线程被阻塞;当消费者试图从 BlockingQueue 取出(take)元素,如果队列已空,则该线程被阻塞。
  • ThreadFactory
    • 线程工厂,功能很简单,就是为线程池提供创建新线程的功能
    • 这是一个接口,可以通过自定义,做一些自定义线程名的操作
    • 默认使用 DefaultThreadFactory
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;
    }
}
  • RejectedExecutionHandler:当任务无法被执行时(超过线程最大容量 maximumPoolSize 并且 workQueue 已经被排满了)的处理策略,这里有四种任务拒绝类型
    • CallerRunsPolicy:当线程池中的数量等于最大线程数时,重试添加当前的任务;它会自动重复调用execute() 方法。
    • AbortPolicy: 默认策略,当线程池中的数量等于最大线程数时抛 java.util.concurrent.RejectedExecutionException 异常
    • DiscardPolicy:当线程池中的数量等于最大线程数时,默默丢弃不能执行的新加任务,不报任何异常。
    • DiscardOldestPolicy:当线程池中的数量等于最大线程数时,抛弃线程池中工作队列头部的任务(即等待时间最久的任务),并执行新传入的任务。

线程池的工作过程

  • 线程池刚创建时,里面没有一个线程。
  • 当调用 execute() 方法添加一个任务时,线程池会做如下判断:
    • 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize,那么马上创建 核心线程 运行这个任务;
    • 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize,那么将这个任务放入工作队列 workQueue
      • 如果这时候队列满了,而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize,那么还是要创建 非核心线程 立刻运行这个任务;
      • 如果队列满了,而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize,那么线程池会抛出异常RejectExecutionException
  • 当一个线程完成任务时,它会从工作队列 workQueue 中取下一个任务来执行。
  • 当一个 非核心线程 无事可做,超过一定的时间(keepAliveTime)时,线程池会判断,如果当前运行的线程数大于 corePoolSize,那么这个 非核心线程 就被停掉。所以线程池的所有任务完成后,它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

常见的 Java 线程池

Executors:提供一系列工厂方法来创建线程池,返回的线程池都实现了 ExecutorService 接口:

  • SingleThreadExecutor
    • 单个线程的线程池,即线程池中每次只有一个线程在运行,单线程串行执行任务。如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。
    • Executors 类中方法定义:public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
    • 实现:
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
  • FixedThreadPool
    • 固定数量的线程池,只有核心线程,每提交一个任务就是一个线程,直到达到线程池的最大数量,然后后面进入等待队列,直到前面的任务完成才继续执行。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。
    • Executors 类中方法定义:public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
    • 实现:
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
  • CachedThreadPool
    • 可缓存线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程,那么就会回收部分空闲(60秒不执行任务)的线程,当任务数增加时,此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制,线程池大小完全依赖于操作系统(或者说JVM)能够创建的最大线程大小。其中,SynchronousQueue 是一个是缓冲区为1的阻塞队列。
    • Executors 类中方法定义:public static ExecutorService newCachedThreadPool()
    • 实现:
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}
  • ScheduledThreadPool
    • 核心线程池固定,大小无限制的线程池,支持定时和周期性的执行线程。创建一个周期性执行任务的线程池。如果闲置,非核心线程池会在 DEFAULT_KEEPALIVEMILLIS 时间内回收。
  • Executors 类中方法定义:public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
    • 实现:
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}

注意事项:

  • 线程池 ExecutorService 中可以使用 execute(t) 或者 submit(t) 方法加入多个任务,任务的执行顺序与加入顺序无关
  • 如果线程池中某个线程因为执行异常而结束,线程池会自动补充一个新线程

示例:

public class ThreadPool_Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            es.execute(new MyThread());
        }

        es.shutdown();
    }

    static class MyThread extends Thread {
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

以上代码的输出如下:
因为创建的线程池中只有一个线程,因此每次只会有一个任务执行,getName() 都会得到相同的结果。

pool-1-thread-1
pool-1-thread-1
pool-1-thread-1
pool-1-thread-1

pool-1-thread-1

如果将 Executors.newSingleThreadExecutor() 更改为 Executors.newFixedThreadPool(2),创建一个有两个线程的线程池,则输出如下:

pool-1-thread-2
pool-1-thread-1
pool-1-thread-2
pool-1-thread-1
pool-1-thread-2

Thread Factory

在我们通过 Executors 来创建线程池的时候,还可以传入一个参数 ThreadFactory,例如:
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)

An object that creates new threads on demand. Using thread factories removes hardwiring of calls to new Thread.

ThreadFactory 遵循了工厂模式,提供 newThread() 方法用来创建线程。
示例:我们希望创建一个线程,它能够在产生 不能捕获的 Runtime Exception 时能自动 Logging:

public class ThreadFactory_Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(new MyThreadFactory());

        es.execute(new MyThread());

        es.shutdown();
    }

    static class MyThread extends Thread {
        public void run() {
            // Runtime exception
            int i = 1 / 0;
        }
    }

    static class MyThreadFactory implements ThreadFactory {
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread t = new Thread(r);

            t.setUncaughtExceptionHandler(new Thread.UncaughtExceptionHandler() {
                @Override
                public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
                    System.err.println(t.getName() + e.getMessage());
                }
            });

            return t;
        }
    }
}

线程池的关闭

可以通过调用线程池的 shutdownshutdownNow 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 isTerminaed 方法会返回 true

线程池的监控

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

  • public long getTaskCount():线程池需要执行的任务数量。
  • public long getCompletedTaskCount():线程池在运行过程中已完成的任务数量。小于或等于taskCount。
  • public int 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。
  • public int getLargestPoolSize():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。
  • public int getActiveCount():获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。通过继承线程池并重写线程池的 beforeExecuteafterExecuteterminated方法,我们可以在任务执行前,执行后和线程池关闭前干一些事情。如监控任务的平均执行时间,最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。如:

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

合理的配置线程池

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 Ncpu+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*Ncpu。
  • 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。


引用:
ThreadFactory usage in Java
Java线程池的简介以及使用
关于线程池的执行原则及配置参数详解
聊聊并发(3):Java线程池的分析和使用

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