java线程池详解
一，前言
平时接触过多线程开发的朋友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：
二，Java线程Executor框架
在HotSpot VM的线程模型中，Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收，在JVM中我们可以通过-Xss设置每个线程的大小。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。
在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图如下图所示
通过上图可以看出应用程序通过Executor控制上层调度，操作系统内核控制下层调度。
注：oskernel操作系统核心包括操作系统软件和应用，只是操作系统最基本的功能，例如内存管理，进程管理，硬件驱动等
Executor结构
executor结构主要包括任务、任务的执行和异步结果的计算。
任务：包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口
任务的执行：包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）
异步计算的结果：包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类
下面我们来看看executor类图
在Executor使用过程中，主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象（Executors.callable（Runnable task）或Executors.callable（Runnable task，Object resule））。
如果执行ExecutorService.submit（…），ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象（FutureTask）。由于FutureTask实现了Runnable，我们也可以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel（boolean mayInterruptIfRunning）来取消此任务的执行。
三，线程池的使用
合理利用线程池能够带来三个好处。第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，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。但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。
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：
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, RejectedExecutionHandler handler)
实际上还是利用 ThreadPoolExecutor 类实现的。所以我们重点来看下 ThreadPoolExecutor 。
创建一个线程池需要输入几个参数：
- 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。
- 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。
- 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)。
- 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。
- 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。n AbortPolicy：直接抛出异常。
- CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
- DiscardOldestPolicy：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。
- 当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
建议自己直接通过new ThreadPoolExecutor(args) 创建线程，而不是通过
Executors，这样更能准确的根据自己实际情况合理利用资源。
四，使用场景
1，FixedThreadPool
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue(),
} FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime为多余的空闲线程等待新任务的最长时间，超过这个时间后多余的线程将被终止。这里把keepAliveTime设置为0L，意味着多余的空闲线程会被立即终止。
下面是FixedThreadPool运行过程示意图
FixedThreadPool适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。
2，SingleThreadExecutor
创建使用单个线程的SingleThreadExecutor
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue()));
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue(),
threadFactory));
} SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同
下图是SingleThreadExecutor的运行过程示意图
SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务；并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景。
3，CachedThreadPool
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue(),
threadFactory);
} CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0，即corePool为空；maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE，即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L，意味着CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，空闲线程超过60秒后将会被终止。
FixedThreadPool和SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列。CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列，但CachedThreadPool的maximumPool是无界的。这意味着，如果主线程提交任务的速度高于maximumPool中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下，CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。
下图是CachedThreadPool的运行过程示意图
1、首先执行SynchronousQueue.offer（Runnable task）。如果当前maximumPool中有空闲线程正在执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS），那么主线程执行offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，execute()方法执行完成；否则执行下面的步骤2）。
2、当初始maximumPool为空，或者maximumPool中当前没有空闲线程时，将没有线程执行SynchronousQueue.poll
（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这种情况下，步骤1）将失败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务，execute()方法执行完成。
3、在步骤2）中新创建的线程将任务执行完后，会执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，
TimeUnit.NANOSECONDS）。这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务（主线程执行步骤1）），那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。由于空闲60秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。
前面提到过，SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。CachedThreadPool使用SynchronousQueue，把主线程提交的任务传递给空闲线程执行。CachedThreadPool中任务传递的示意
图如下图所示：
看名字我们可以知道cached缓存，CachedThreadPool可以创建一个可根据需要创建新线程的线程池，但是在以前构造的线程可用时将重用它们，对于执行很多短期异步任务的程序而言，这些线程池通常可提高程序性能。调用 execute 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。
CachedThreadPool是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。
4，ScheduledThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数
初始化
ScheduledThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建2种类型ScheduledThreadPoolExecutor，如下：
ScheduledThreadPoolExecutor：包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
SingleThreadScheduledExecutor：只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
下面分别介绍这两种ScheduledThreadPoolExecutor。
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue(), threadFactory, handler);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}直接调用父类ThreadPoolExecutor构造方法进行初始化。ScheduledThreadPoolExecutor适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。
下面看看如何创建SingleThreadScheduledExecutor
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
return new DelegatedScheduledExecutorService
(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
}
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
return new DelegatedScheduledExecutorService
(new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
}DelayQueue是一个无界队列，所以ThreadPoolExecutor的maximumPoolSize在ScheduledThreadPoolExecutor中没有什么意义（设置maximumPoolSize的大小没有什么效果）。ScheduledThreadPoolExecutor的执行主要分为两大部分。
1、当调用ScheduledThreadPoolExecutor的scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时，会向ScheduledThreadPoolExecutor的DelayQueue添加一个实现了RunnableScheduledFutur接口的ScheduledFutureTask。
2、线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask，然后执行任务。
下面看看ScheduedThreadPoolExecutor运行过程示意图
ScheduledThreadPoolExecutor为了实现周期性的执行任务，对ThreadPoolExecutor做了如下
的修改。
1、使用DelayQueue作为任务队列。
2、获取任务的方式不同
3、执行周期任务后，增加了额外的处理
实现过程分析
ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中。ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量，如下。
1、long time，表示这个任务将要被执行的具体时间。
2、long sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
3、long period，表示任务执行的间隔周期。
DelayQueue封装了一个PriorityQueue，这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。排序时，time小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个ScheduledFutureTask的time相同，就比较sequenceNumber，sequenceNumber小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。首先，让我们看看ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行周期任务的过程。如下图所示
1、线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()）。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间。
2、线程1执行这个ScheduledFutureTask。
3、线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间。
4、线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中（DelayQueue.add()）。
下面我们看看DelayQueue.take()的源码是如何实现的
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); // 1
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
if (first == null) {
available.await(); // 2.1
} else {
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay > 0) {
long tl = available.awaitNanos(delay); // 2.2
} else {
E x = q.poll(); // 2.3.1
assert x != null;
if (q.size() != 0)
available.signalAll(); // 2.3.2
return x;
}
}
}
} finally {
lock.unlock(); // 3
}
}下面我们对上面的代码用流程图展示出来
1、获取Lock。
2、获取周期任务。
a、如果PriorityQueue为空，当前线程到Condition中等待；否则执行下面的2.2。
b、如果PriorityQueue的头元素的time时间比当前时间大，到Condition中等待到time时间；否则执行下面的2.3。
c、获取PriorityQueue的头元素（2.3.1）；如果PriorityQueue不为空，则唤醒在Condition中等待的所有线程（2.3.2）。
3、释放Lock。
ScheduledThreadPoolExecutor在一个循环中执行步骤2，直到线程从PriorityQueue获取到一个元素之后（执行2.3.1之后），才会退出无限循环（结束步骤2）。
下面我来看看DelayQueue.add()源码实现
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 1
try {
E first = q.peek();
q.offer(e); // 2.1
if (first == null || e.compareTo(first) < 0)
available.signalAll(); // 2.2
return true;
} finally {
lock.unlock(); // 3
}
}下面我们对上面的代码用流程图展示出来
1、获取Lock。
2、添加任务。
a、向PriorityQueue添加任务。
b、如果在上面2.1中添加的任务是PriorityQueue的头元素，唤醒在Condition中等待的所有线程。
3、释放Lock。
SingleThreadScheduledExecutor适用于需要单个后台线程执行周期任务，同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。
五，合理的配置线程池
要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来进行分析：
- 任务的性质：CPU密集型任务，IO密集型任务和混合型任务。
- 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。
建议使用有界队列，有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点，比如几千。有一次我们组使用的后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断的抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞住，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然我们的系统所有的任务是用的单独的服务器部署的，而我们使用不同规模的线程池跑不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务。
六，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
- taskCount：线程池需要执行的任务数量。
- completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量。小于或等于taskCount。
- largestPoolSize：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。
- 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。
- 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beforeExecute，afterExecute和terminated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) { }