11.线程系列- 线程池

什么是线程池

大家用jdbc操作过数据库应该知道，操作数据库需要和数据库建立连接，拿到连接之后才能操作数据库，用完之后销毁。数据库连接的创建和销毁其实是比较耗时的，真正和业务相关的操作耗时是比较短的。每个数据库操作之前都需要创建连接，为了提升系统性能，后来出现了数据库连接池，系统启动的时候，先创建很多连接放在池子里面，使用的时候，直接从连接池中获取一个，使用完毕之后返回到池子里面，继续给其他需要者使用，这其中就省去创建连接的时间，从而提升了系统整体的性能。

线程池和数据库连接池的原理也差不多，创建线程去处理业务，可能创建线程的时间比处理业务的时间还长一些，如果系统能够提前为我们创建好线程，我们需要的时候直接拿来使用，用完之后不是直接将其关闭，而是将其返回到线程中中，给其他需要这使用，这样直接节省了创建和销毁的时间，提升了系统的性能。

简单的说，在使用了线程池之后，创建线程变成了从线程池中获取一个空闲的线程，然后使用，关闭线程变成了将线程归还到线程池。

线程池实现原理

当向线程池提交一个任务之后，线程池的处理流程如下：

1. 判断是否达到核心线程数，若未达到，则直接创建新的线程处理当前传入的任务，否则进入下个流程
2. 线程池中的工作队列是否已满，若未满，则将任务丢入工作队列中先存着等待处理，否则进入下个流程
3. 是否达到最大线程数，若未到达，则创建新的线程处理当前出入的任务，否则交给线程池中的饱和策略进行处理

流程如下：

举个例子：

咱们作为开发者，上面都有开发主管，主管下面带领几个小弟干活，CTO给主管授权说，你可以招聘5个小弟干活，新来任务，如果小弟还不到吴哥，立即去招聘一个来干这个新来的任务，当5个小弟都招来了，再来任务之后，将任务记录到一个表格中，表格中最多记录100个，小弟们会主动去表格中获取任务执行，如果5个小弟都在干活，并且表格中也记录满了，那你可以将小弟扩充到20个，如果20个小弟都在干活，并且存放任务的表也满了，产品经理再来任务后，是直接拒绝，还是让产品自己干，这个由你自己决定，小弟们都尽心尽力在干活，任务都被处理完了，突然公司业绩下滑，几个员工没事干，打酱油，为了节约成本，CTO主管把小弟控制到5人，其他15个人直接被干掉了。所以作为小弟们，别让自己闲着，多干活。

原理：先找几个人干活，大家都忙于干活，任务太多可以排期，排期的任务太多了，再招一些人来干活，最后干活的和排期都达到上层领导要求的上限了，那需要采取一些其他策略进行处理了。对于长时间不干活的人，考虑将其开掉，节约资源和成本。

java中的线程池

jdk中提供了线程池的具体实现，实现类是

java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor

主要构造方法：

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

corePoolSize：核心线程大小，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，即使有其他空闲线程可以处理任务也会创新线程，等到工作的线程数大于核心线程数时就不会在创建了。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前把核心线程都创造好，并启动

maximumPoolSize：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且以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。如果我们使用了无界队列，那么所有的任务会加入队列，这个参数就没有什么效果了

keepAliveTime：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。如果没有任务处理了，有些线程会空闲，空闲的时间超过了这个值，会被回收掉。如果任务很多，并且每个任务的执行时间比较短，避免线程重复创建和回收，可以调大这个时间，提高线程的利用率

unit：keepAliveTIme的时间单位，可以选择的单位有天、小时、分钟、毫秒、微妙、千分之一毫秒和纳秒。类型是一个枚举java.util.concurrent.TimeUnit，这个枚举也经常使用，有兴趣的可以看一下其源码

workQueue：工作队列，用于缓存待处理任务的阻塞队列，常见的有4种，本文后面有介绍

threadFactory：线程池中创建线程的工厂，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

handler：饱和策略，当线程池无法处理新来的任务了，那么需要提供一种策略处理提交的新任务，默认有4种策略，文章后面会提到

调用线程池的execute方法处理任务，执行execute方法的过程:

1. 判断线程池中运行的线程数是否小于corepoolsize，是：则创建新的线程来处理任务，否执行下一步
2. 试图将任务添加到workQueue指定的队列中，如果无法添加到队列中，进入下一步
3. 判断线程池中运行的线程数是否maximumPoolSize，是：则新增线程处理当前传入的任务，否：将任务传递给handler对象rejectedExecution方法处理

线程池的使用步骤：

1. 调用构造方法创建线程池
2. 调用线程池的方法处理任务
3. 关闭线程池

线程池使用的简单案列

public class ThreadPool1 {

    static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3,5,10,
            TimeUnit.MINUTES,new ArrayBlockingQueue(5), Executors.defaultThreadFactory(),
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            long j = i+ 1;
            String job = "任务" + i;
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(j);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始工作,"+ job);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

运行结果：

pool-1-thread-1开始工作,任务0
pool-1-thread-2开始工作,任务1
pool-1-thread-3开始工作,任务2
pool-1-thread-1开始工作,任务3
pool-1-thread-2开始工作,任务4
pool-1-thread-4开始工作,任务8
pool-1-thread-3开始工作,任务5
pool-1-thread-5开始工作,任务9
pool-1-thread-1开始工作,任务6
pool-1-thread-2开始工作,任务7
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:64137', transport: 'socket'

Process finished with exit code 0

线程池中常见5中工作队列

任务太多的时候，工作队列用于暂时缓存待处理的任务，jdk中常见的5中阻塞队列：

ArrayBlockingQueue：是一个基于链表数组结构的有界阻塞队列，此队列按照先进先出原则对元素进行排序

LinkedBlockingQueue：是一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按照先进先出排序原色，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外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使用这个队列

PriorityBlockingQueue：优先级队列，进入队列的元素按照优先级会进行排序

这里我们主要说后面两种队列

SynchronousQueue队列的线程池

public class ThreadPool2 {

    static ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            long j = i;
            String job = "任务" + i;
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(j);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始工作,"+ job);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

运行结果：

pool-1-thread-1开始工作,任务0
pool-1-thread-2开始工作,任务1
pool-1-thread-3开始工作,任务2
pool-1-thread-4开始工作,任务3
pool-1-thread-5开始工作,任务4
pool-1-thread-6开始工作,任务5
pool-1-thread-1开始工作,任务6
pool-1-thread-7开始工作,任务7
pool-1-thread-8开始工作,任务8
pool-1-thread-9开始工作,任务9

代码中使用Executors.newCachedThreadPool()创建线程池，看一下的源码：

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

从输出中可以看出，系统创建了10个线程处理任务，代码中使用了SynchronousQueue同步队列，这种队列比较特殊，放入元素必须要有另外一个线程去获取这个元素，否则放入元素会失败或者一直阻塞在那里直到有线程取走，示例中任务处理休眠了一定的时间，导致已创建的工作线程都忙于处理任务，所以新来任务之后，将任务丢入同步队列会失败，丢入队列失败之后，会尝试新建线程处理任务。使用上面的方式创建线程池需要注意，如果需要处理的任务比较耗时，会导致新来的任务都会创建新的线程进行处理，可能会导致创建非常多的线程，最终耗尽系统资源，触发OOM。

PriorityBlockingQueue优先级队列的线程池

public class ThreadPool3 implements Runnable, Comparable {

    private int i;
    private String name;

    ThreadPool3(int i, String name) {
        this.i = i;
        this.name = name;
    }

    static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 10,
            TimeUnit.SECONDS, new PriorityBlockingQueue<>(), Executors.defaultThreadFactory());

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String taskName = "任务" + i;
            executor.execute(new ThreadPool3(i, taskName));
        }
        for (int i = 100; i > 90; i--) {
            String taskName = "任务" + i;
            executor.execute(new ThreadPool3(i, taskName));
        }
        executor.shutdown();
    }

    @Override
    public int compareTo(ThreadPool3 o) {
        return Integer.compare(o.i, i);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "工作 " + this.name);
    }
}

运行结果：

pool-1-thread-1工作 任务0
pool-1-thread-1工作 任务100
pool-1-thread-1工作 任务99
pool-1-thread-1工作 任务98
pool-1-thread-1工作 任务97
pool-1-thread-1工作 任务96
pool-1-thread-1工作 任务95
pool-1-thread-1工作 任务94
pool-1-thread-1工作 任务93
pool-1-thread-1工作 任务92
pool-1-thread-1工作 任务91
pool-1-thread-1工作 任务9
pool-1-thread-1工作 任务8
pool-1-thread-1工作 任务7
pool-1-thread-1工作 任务6
pool-1-thread-1工作 任务5
pool-1-thread-1工作 任务4
pool-1-thread-1工作 任务3
pool-1-thread-1工作 任务2
pool-1-thread-1工作 任务1

输出中，除了第一个任务，其他任务按照优先级高低按顺序处理。原因在于：创建线程池的时候使用了优先级队列，进入队列中的任务会进行排序，任务的先后顺序由i变量决定。向PriorityBlockingQueue加入元素的时候，内部会调用代码中Task的compareTo方法决定元素的先后顺序。

自定义创建线程的工厂

给线程池中线程起一个有意义的名字，在系统出现问题的时候，通过线程堆栈信息可以更容易发现系统中问题所在。自定义创建工厂需要实现java.util.concurrent.ThreadFactory接口中的Thread newThread(Runnable r)方法，参数为传入的任务，需要返回一个工作线程。

public class ThreadPool4{

    static AtomicInteger threadNum = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 10,
                TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10), r -> {
            Thread thread = new Thread(r);
            thread.setName("自定义线程-" + threadNum.getAndIncrement());
            return thread;
        });
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String taskName = "任务-" + i;
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "处理" + taskName);
            });
        }
        executor.shutdown();
    }


}

输出：

自定义线程-1处理任务-0
自定义线程-3处理任务-2
自定义线程-2处理任务-1
自定义线程-4处理任务-3
自定义线程-5处理任务-4

代码中在任务中输出了当前线程的名称，可以看到是我们自定义的名称。

4中常见的饱和策略

当线程池中队列已满，并且线程池已达到最大线程数，线程池会将任务传递给饱和策略进行处理。这些策略都实现了RejectedExecutionHandler接口。接口中有个方法：

 void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);

jdk中提供了4种常见的饱和策略：

AbortPolicy：直接抛出异常

CallerRunsPolicy：在当前调用者的线程中运行任务，谁丢来的任务，谁去处理

DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务。

DiscardPolicy：不处理，直接丢掉

自定义饱和策略

需要实现RejectedExecutionHandler接口。任务无法处理的时候，我们想几率一下日志，我们需要自定义一个饱和策略：

public class ThreadPool5 {


    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 10,
                TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(5), Executors.defaultThreadFactory(), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.out.println("无法处理的任务：" + r.toString());
            }
        });
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String taskName = "任务-" + i;
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "处理" + taskName);
            });
        }
        executor.shutdown();
    }


}

运行结果：

pool-1-thread-1处理任务-0
pool-1-thread-2处理任务-6
无法处理的任务：com.example.thread.threadPool.ThreadPool5$$Lambda$1/1809787067@4c203ea1
pool-1-thread-2处理任务-2
pool-1-thread-1处理任务-1
pool-1-thread-2处理任务-3
pool-1-thread-1处理任务-4
pool-1-thread-2处理任务-5
pool-1-thread-1处理任务-8
pool-1-thread-2处理任务-9

线程池中的2个关闭方法

线程池提供了2个关闭方法：shutdown和shutdownNow，当调用者两个方法之后，线程池会遍历内部的工作线程，然后调用每个工作线程的interrrupt方法给线程发送中断信号，内部如果无法响应中断信号的可能永远无法终止，所以如果内部有无线循环的，最好在循环内部检测一下线程的中断信号，合理的退出。调用者两个方法中任意一个，线程池的isShutdown方法就会返回true，当所有的任务线程都关闭之后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。

调用shutdown方法之后，线程池将不再接口新任务，内部会将所有已提交的任务处理完毕，处理完毕之后，工作线程自动退出。

而调用shutdownNow方法后，线程池会将还未处理的（在队里等待处理的任务）任务移除，将正在处理中的处理完毕之后，工作线程自动退出。

至于调用哪个方法来关闭线程，应该由提交到线程池的任务特性决定，多数情况下调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

扩展线程池

虽然jdk提供了ThreadPoolExecutor这个高性能线程池，但是如果我们自己想在这个线程池上做一些扩展，比如，监控每个任务执行的开始时间，结束时间，或者一些其他自定义的功能，我们应该怎么办？

这个jdk已经帮我们想到了。ThreadPoolExecutor内部提供了几个方法beforeExecute、afterExecute、terminated，可以由开发人员自己去实现这些方法

public class ThreadPool6 implements Runnable {

    String name;

    ThreadPool6(String name) {
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {

        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 5, 60, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(1), Executors.defaultThreadFactory(), (r, executor1) -> {
            System.out.println("无法处理的任务 " + r.toString());
        }) {

            @Override
            protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + t.getName() + ",开始执行任务:" + r.toString());
            }

            @Override
            protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + Thread.currentThread().getName() + ",任务:" + r.toString() + "，执行完毕!");
            }

            @Override
            protected void terminated() {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + Thread.currentThread().getName() + "，关闭线程池!");
            }
        };

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(new ThreadPool6("任务-" + i));
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executor.shutdown();

    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "处理" + this.name);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "runnable{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

运行结果：

1608101120348,pool-1-thread-1,开始执行任务:runnable{name='任务-0'}
1608101120349,pool-1-thread-3,开始执行任务:runnable{name='任务-2'}
pool-1-thread-3处理任务-2
1608101120349,pool-1-thread-2,开始执行任务:runnable{name='任务-1'}
无法处理的任务 runnable{name='任务-6'}
1608101120349,pool-1-thread-4,开始执行任务:runnable{name='任务-4'}
pool-1-thread-4处理任务-4
pool-1-thread-1处理任务-0
1608101120349,pool-1-thread-5,开始执行任务:runnable{name='任务-5'}
pool-1-thread-5处理任务-5
无法处理的任务 runnable{name='任务-7'}
无法处理的任务 runnable{name='任务-8'}
pool-1-thread-2处理任务-1
无法处理的任务 runnable{name='任务-9'}
1608101122349,pool-1-thread-5,任务:runnable{name='任务-5'}，执行完毕!
1608101122349,pool-1-thread-3,任务:runnable{name='任务-2'}，执行完毕!
1608101122349,pool-1-thread-5,开始执行任务:runnable{name='任务-3'}
pool-1-thread-5处理任务-3
1608101122349,pool-1-thread-4,任务:runnable{name='任务-4'}，执行完毕!
1608101122349,pool-1-thread-1,任务:runnable{name='任务-0'}，执行完毕!
1608101122350,pool-1-thread-2,任务:runnable{name='任务-1'}，执行完毕!
1608101124350,pool-1-thread-5,任务:runnable{name='任务-3'}，执行完毕!
1608101124350,pool-1-thread-5，关闭线程池!

合理的配置线程池

要想合理的配置线程池，需要先分析任务的特性，可以从一下角度分析：

• 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：高中低
• 任务的执行时间：长中短
• 任务的依赖性：是否依赖其他的系统资源，如数据库的链接

性质不同任务可以用不同规模的线程池分开处理。cpu密集型任务应该尽可能少的线程，如配置cpu数量+1个线程的线程池。由于io密集型任务并不是一直在执行任务，不能让cpu闲着，则应配置尽可能多的线程。如：cpu数量*2。混合型的任务，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的时间相差不是很大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()的方法获取cpu数量。优先级不同的任务，可以对线程池采用优先级队列来处理，让优先级高的先执行。

使用队列的时候建议使用有界队列，有界队列增加了系统的稳定，如果采用无界队列，任务太多的时候可能导致系统oom，直接让系统宕机。

线程池中线程数量的配置

线程池中总线程大小对系统的性能有一定的影响，我们的目标是希望系统能够发挥最好的性能，过多的或者过小的线程数无法有小的使用机器的性能。

Ncpu = CUP的数量
Ucpu = 目标CPU的使用率，0<=Ucpu<=1
W/C = 等待时间与计算时间的比例
为保存处理器达到期望的使用率，最有的线程池的大小等于：
Nthreads = Ncpu × Ucpu × (1+W/C)

一些使用建议

在《阿里巴巴java开发手册》中指出了线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显示的创建线程，这样一方面是线程的创建更加规范，可以合理控制开辟线程的数量；另一方面线程的细节管理交给线程池处理，优化了资源的开销。而线程池不允许使用Executors去创建，而要通过ThreadPoolExecutor方式，这一方面是由于jdk中Executor框架虽然提供了如newFixedThreadPool()、newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool()等创建线程池的方法，但都有其局限性，不够灵活；另外由于前面几种方法内部也是通过ThreadPoolExecutor方式实现，使用ThreadPoolExecutor有助于大家明确线程池的运行规则，创建符合自己的业务场景需要的线程池，避免资源耗尽的风险。