讲解线程池的一篇干货，很干很干！

文章部分内容以及图片引用自公众号：crossoverJie

前言

平时接触过多线程开发的童鞋应该都或多或少了解过线程池，之前发布的《阿里巴巴 Java 手册》里也有一条：

可见线程池的重要性。

简单来说使用线程池有以下几个目的：

• 线程是稀缺资源，不能频繁的创建。

• 解耦作用；线程创建于执行完全分开，方便维护

• 应当将其放入一个池子中，可以给其他任务进行复用。

 

线程池原理

谈到线程池就会想到池化技术，其中最核心的思想就是把宝贵的资源放到一个池子中；每次使用都从里面获取，用完之后又放回池子供其他人使用，有点吃大锅饭的意思。

那在 Java 中又是如何实现的呢？

在 JDK 1.5 之后推出了相关的 api，常见的创建线程池方式有以下几种：

• Executors.newCachedThreadPool()：无限线程池。

• Executors.newFixedThreadPool(nThreads)：创建固定大小的线程池。

• Executors.newSingleThreadExecutor()：创建单个线程的线程池。

 

其实看这三种方式创建的源码就会发现：

 public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue());
    }

实际上还是利用 ThreadPoolExecutor 类实现的。

所以我们重点来看下：

ThreadPoolExecutor 是怎么玩的。

 

首先是创建线程的 api：

ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, RejectedExecutionHandler handler) 

这几个核心参数的作用：

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。
runnableTaskQueue（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。
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：一个具有优先级得无限阻塞队列。
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。
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和定位问题时非常又帮助。
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JDK1.5提供的四种策略。
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:
            当线程池中的数量等于最大线程数时抛 java.util.concurrent.RejectedExecutionException 异常，涉及到该异常的任务              也不会被执行，线程池默认的拒绝策略就是该策略。

        2. ThreadPoolExecutor.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。

        3. ThreadPoolExecutor.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。

        4. ThreadPoolExecutor.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)，并执行当前任务。

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 用于存放任务的阻塞队列。

handler 当队列和最大线程池都满了之后的饱和策略。

通常我们都是这样使用demo：

@Component
public class ExecutorThreadPools {

	
	BlockingQueue executeReportQueue = new LinkedBlockingQueue(10);
    ThreadPoolExecutor executeReportPool = new ThreadPoolExecutor(5, 15, 10L,TimeUnit.MINUTES, executeReportQueue, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
    
    public ThreadPoolExecutor getExecuteReportPool() {
		return executeReportPool;
	}
	
}

了解了这几个参数再来看看实际的运用。

通常我们都是使用:

threadPool.execute(new Job());

这样的方式来提交一个任务到线程池中，所以核心的逻辑就是 execute() 函数了。

 

在具体分析之前先了解下线程池中所定义的状态，这些状态都和线程的执行密切相关：

• RUNNING 自然是运行状态，指可以接受任务执行队列里的任务

 

• SHUTDOWN 指调用了 shutdown() 方法，不再接受新任务了，但是队列里的任务得执行完毕。

 

• STOP 指调用了 shutdownNow() 方法，不再接受新任务，同时抛弃阻塞队列里的所有任务并中断所有正在执行任务。

 

• TIDYING 所有任务都执行完毕，在调用 shutdown()/shutdownNow() 中都会尝试更新为这个状态。

 

• TERMINATED 终止状态，当执行 terminated() 后会更新为这个状态。

 

用图表示为：

然后看看 execute() 方法是如何处理的：

• 获取当前线程池的状态。

 

• 当前线程数量小于 coreSize 时创建一个新的线程运行。

 

• 如果当前线程处于运行状态，并且写入阻塞队列成功。

 

• 双重检查，再次获取线程状态；如果线程状态变了（非运行状态）就需要从阻塞队列移除任务，并尝试判断线程是否全部执行完毕。同时执行拒绝策略。

 

• 如果当前线程池为空就新创建一个线程并执行。

 

• 如果在第三步的判断为非运行状态，尝试新建线程，如果失败则执行拒绝策略。

 

这里借助《聊聊并发》的一张图来描述这个流程：

如何配置线程？

流程聊完了再来看看上文提到了几个核心参数应该如何配置呢？

有一点是肯定的，线程池肯定是不是越大越好。

通常我们是需要根据这批任务执行的性质来确定的。

• IO 密集型任务：由于线程并不是一直在运行，所以可以尽可能的多配置线程，比如 CPU 个数 * 2

• CPU 密集型任务（大量复杂的运算）应当分配较少的线程，比如 CPU 个数相当的大小。

当然这些都是经验值，最好的方式还是根据实际情况测试得出最佳配置。

 

优雅的关闭线程池

有运行任务自然也有关闭任务，从上文提到的 5 个状态就能看出如何来关闭线程池。

其实无非就是两个方法：

shutdown()/shutdownNow()。

 

但他们有着重要的区别：

• shutdown() 执行后停止接受新任务，会把队列的任务执行完毕。

• shutdownNow() 也是停止接受新任务，但会中断所有的任务，将线程池状态变为 stop。

两个方法都会中断线程，用户可自行判断是否需要响应中断。

 

shutdownNow() 要更简单粗暴，可以根据实际场景选择不同的方法。

我通常是按照以下方式关闭线程池的：

 long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i <= 5; i++) {
            pool.execute(new Job());
        }

        pool.shutdown();

        while (!pool.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS)) {
            LOGGER.info("线程还在执行。。。");
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        LOGGER.info("一共处理了【{}】", (end - start));

pool.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS) 会每隔一秒钟检查一次是否执行完毕（状态为 TERMINATED），当从 while 循环退出时就表明线程池已经完全终止了。

 

SpringBoot中使用线程池

来看看springboot中怎么配置和使用线程池：

既然用了 SpringBoot ，那自然得发挥 Spring 的特性，所以需要 Spring 来帮我们管理线程池：

@Component
public class ExecutorThreadPools {

	
	BlockingQueue executeReportQueue = new LinkedBlockingQueue(10);
    ThreadPoolExecutor executeReportPool = new ThreadPoolExecutor(5, 15, 10L,TimeUnit.MINUTES, executeReportQueue, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
    
    public ThreadPoolExecutor getExecuteReportPool() {
		return executeReportPool;
	}
	
}

自定义一个可定制线程的子类：

public class ConfigurableThread extends Thread {
	
	private boolean firstExe = false;
	private boolean enableTimeLimit = false;
	private boolean enableExeLimit = false;
	private Date firstExeTime;
	private Integer exeLimit = 0;
	private Long timeLimit = 0L;
	private Long increaseStep = 0L;
	
	protected Long timeInterval = 1000L;
	protected Integer tryCount = 1;
	protected boolean successFlag = false; 
	
	/**
	 * 执行逻辑主体
	 */
	@Override
	public void run(){
		if(!firstExe){
			this.firstExe = true;
			this.firstExeTime = new Date();
		}
		try {
			while(execuble()){
				doRun();
				tryCount ++;
				if(!successFlag) {
					Thread.sleep(this.timeInterval);
				}
				this.timeInterval += this.increaseStep;
			}
			return;
		} catch (Exception e) {
			threadExceptionHandle(e);
		}
	}
	
	/**
	 * 子类必须重写该方法
	 * @Description 具体业务相关的行为放在这里
	 * @throws Exception
	 */
	protected void doRun() throws Exception{
		throw new Exception("还未声明实现方法");
	}
	
	/**
	 * 超时处理
	 */
	protected void onTimeout() {
		System.out.println("执行时间超时，线程结束");
	}
	
	/**
	 * 重试次数上限处理
	 */
	protected void onTryout() {
		System.out.println("尝试次数超出，线程结束");
	}
	
	/**
	 * 成功处理
	 */
	protected void onSuccess() {
		System.out.println("任务执行成功，线程结束");
	}
	
	/**
	 * run方法的异常处理
	 */
	protected void threadExceptionHandle(Exception e) {
		System.out.println("线程执行错误，程序退出.错误信息:"+e);
	}
	
	private boolean execuble(){
		if(successFlag){
			onSuccess();
			return false;
		}
		
		if(enableTimeLimit && 
				(System.currentTimeMillis() - this.firstExeTime.getTime()) > this.timeLimit){
			onTimeout();
			return false;
		}
		
		if(enableExeLimit && 
				this.tryCount > this.exeLimit){
			onTryout();
			return false;
		}
		return true;
	}
	
	protected final void markAsSuccess(){
		this.successFlag = true;
	}
	
	public final ConfigurableThread enableTimeLimit() {
		this.enableTimeLimit = true;
		return this;
	}
	
	public final ConfigurableThread disableTimeLimit() {
		this.enableTimeLimit = false;
		return this;
	}
	
	public final ConfigurableThread enableExeLimit() {
		this.enableExeLimit = true;
		return this;
	}
	
	public final ConfigurableThread disableExeLimit() {
		this.enableExeLimit = false;
		return this;
	}

	public final ConfigurableThread setExeLimit(Integer exeLimit) {
		this.exeLimit = exeLimit;
		return this;
	}


	public final ConfigurableThread setTimeLimit(Long timeLimit) {
		this.timeLimit = timeLimit;
		return this;
	}
	
	public final ConfigurableThread setInterval(Long interval) {
		this.timeInterval = interval;
		return this;
	}
	
	public final ConfigurableThread setIncreaseStep(Long step) {
		this.increaseStep = step;
		return this;
	}

}

使用时：

使用时也挺简单，注入线程池，新创建一个线程重写doRun()方法执行逻辑主体，并执行excute()方法。（上述线程池的使用方式解决了Spring在Thread中注入bean无效的解决方式；若直接在Thread中直接注入的Bean是null，会发生空指针错误）

 

监控线程池

谈到了 SpringBoot，也可利用它 actuator 组件来做线程池的监控。

线程怎么说都是稀缺资源，对线程池的监控可以知道自己任务执行的状况、效率等。

关于 actuator 就不再细说了，感兴趣的可以看看这篇，有详细整理过如何暴露监控端点。

其实 ThreadPool 本身已经提供了不少 api 可以获取线程状态：

很多方法看名字就知道其含义，只需要将这些信息暴露到 SpringBoot 的监控端点中，我们就可以在可视化页面查看当前的线程池状态了。

甚至我们可以继承线程池扩展其中的几个函数来自定义监控逻辑：

看这些名称和定义都知道，这是让子类来实现的。

可以在线程执行前、后、终止状态执行自定义逻辑。

线程池隔离

线程池看似很美好，但也会带来一些问题。

如果我们很多业务都依赖于同一个线程池,当其中一个业务因为各种不可控的原因消耗了所有的线程，导致线程池全部占满。

这样其他的业务也就不能正常运转了，这对系统的打击是巨大的。

比如我们 Tomcat 接受请求的线程池，假设其中一些响应特别慢，线程资源得不到回收释放；线程池慢慢被占满，最坏的情况就是整个应用都不能提供服务。

所以我们需要将线程池进行隔离。

通常的做法是按照业务进行划分：

比如下单的任务用一个线程池，获取数据的任务用另一个线程池。这样即使其中一个出现问题把线程池耗尽，那也不会影响其他的任务运行。

 

hystrix 隔离

这样的需求 Hystrix 已经帮我们实现了。

Hystrix 是一款开源的容错插件，具有依赖隔离、系统容错降级等功能。

下面来看看 Hystrix 简单的应用：

首先需要定义两个线程池，分别用于执行订单、处理用户。

public class CommandOrder extends HystrixCommand {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(CommandOrder.class);

    private String orderName;

    public CommandOrder(String orderName) {


        super(Setter.withGroupKey(
                //服务分组
                HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("OrderGroup"))
                //线程分组
                .andThreadPoolKey(HystrixThreadPoolKey.Factory.asKey("OrderPool"))

                //线程池配置
                .andThreadPoolPropertiesDefaults(HystrixThreadPoolProperties.Setter()
                        .withCoreSize(10)
                        .withKeepAliveTimeMinutes(5)
                        .withMaxQueueSize(10)
                        .withQueueSizeRejectionThreshold(10000))

                .andCommandPropertiesDefaults(
                        HystrixCommandProperties.Setter()
                                .withExecutionIsolationStrategy(HystrixCommandProperties.ExecutionIsolationStrategy.THREAD))
        )
        ;
        this.orderName = orderName;
    }


    @Override
    public String run() throws Exception {

        LOGGER.info("orderName=[{}]", orderName);

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        return "OrderName=" + orderName;
    }


}


/**
 * Function:用户服务
 *
 * @author crossoverJie
 *         Date: 2018/7/28 16:43
 * @since JDK 1.8
 */
public class CommandUser extends HystrixCommand {

    private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(CommandUser.class);

    private String userName;

    public CommandUser(String userName) {


        super(Setter.withGroupKey(
                //服务分组
                HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("UserGroup"))
                //线程分组
                .andThreadPoolKey(HystrixThreadPoolKey.Factory.asKey("UserPool"))

                //线程池配置
                .andThreadPoolPropertiesDefaults(HystrixThreadPoolProperties.Setter()
                        .withCoreSize(10)
                        .withKeepAliveTimeMinutes(5)
                        .withMaxQueueSize(10)
                        .withQueueSizeRejectionThreshold(10000))

                //线程池隔离
                .andCommandPropertiesDefaults(
                        HystrixCommandProperties.Setter()
                                .withExecutionIsolationStrategy(HystrixCommandProperties.ExecutionIsolationStrategy.THREAD))
        )
        ;
        this.userName = userName;
    }


    @Override
    public String run() throws Exception {

        LOGGER.info("userName=[{}]", userName);

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        return "userName=" + userName;
    }


}

api 特别简洁易懂，具体详情请查看官方文档。

 

然后模拟运行：

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        CommandOrder commandPhone = new CommandOrder("手机");
        CommandOrder command = new CommandOrder("电视");


        //阻塞方式执行
        String execute = commandPhone.execute();
        LOGGER.info("execute=[{}]", execute);

        //异步非阻塞方式
        Future queue = command.queue();
        String value = queue.get(200, TimeUnit.MILLISECONDS);
        LOGGER.info("value=[{}]", value);


        CommandUser commandUser = new CommandUser("张三");
        String name = commandUser.execute();
        LOGGER.info("name=[{}]", name);
    }

可以看到两个任务分成了两个线程池运行，他们之间互不干扰。

获取任务任务结果支持同步阻塞和异步非阻塞方式，可自行选择。

它的实现原理其实容易猜到：

利用一个 Map 来存放不同业务对应的线程池。

通过刚才的构造函数也能证明：

还要注意的一点是：

自定义的 Command 并不是一个单例，每次执行需要 new 一个实例，不然会报 This instance can only be executed once. Please instantiate a new instance. 异常。