14 Java线程池ThreadPoolExecutor详解，线程池的实现原理，创建线程池，提交任务execute和submit，关闭线程池，根据任务特性合理地配置线程池，线程池的监控
Java线程池ThreadPoolExecutor详解
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- `Java中的线程池 ThreadPoolExecutor ☆☆☆`
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- 线程池的实现原理
- 线程池的创建 ThreadPoolExecutor
- 向线程池提交任务的方法execute()、submit()
- 关闭线程池 shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池
- 通过任务特性合理地配置线程池
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- 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。
- 建议使用有界队列
- 线程池的监控
Java中的线程池 ThreadPoolExecutor ☆☆☆
Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序 都可以使用线程池。
在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3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，如果无限制地创建，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分配、调优和监控。但是，要做到合理利用 线程池，必须对其实现原理了如指掌
线程池的实现原理
从图中可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下。
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，则进入下个流程。
2）线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
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执行图；ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况。
1）如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤
需要获取全局锁）。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（注意，执行这一步骤
需要获取全局锁）。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。
ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能 地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。
线程池的创建 ThreadPoolExecutor
通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。
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) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
// 最终通过如下方法构建线程池
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;
}
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(无参构造方法是无界队列)，此队列按
FIFO(先进先出）原则排序元素，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Linked-BlockingQueue，
静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。
maximumPoolSize（线程池最大数量）：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。
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。
在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。
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存储不能处理的任务。
- 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）和纳秒 （NANOSECONDS，千分之一微秒）
向线程池提交任务的方法execute()、submit()
可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。
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。该方法收一个Runnable类的实例。
submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。
关闭线程池 shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池
可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。
它们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。但是它们存在一定的区别，shutdownNow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，
而shutdown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。
只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，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。
至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用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
通过任务特性合理地配置线程池
任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
- CPU密集型任务应配置尽可能小的 线程，如配置CPU核心数+1个线程的线程池
- IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配 置尽可能多的线程，如2*CPU核心数。
- 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太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。
可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。
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。它可以让优先级高的任务先执行。
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。
任务的执行时间：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，或者可以使用优先级队列，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，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用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。当系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了，会不断抛出抛弃任务的异常，提示我们排查系统问题。
如果当时我们设置成无界队列，那么线程池的队列就会越来越多，可能会撑爆内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。
线程池的监控
在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，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。
可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性。
- getTaskCount：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：线程池里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曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
- getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程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。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的 beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，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。