Java线程池

首先我们来看一下如下方式存在的问题

   new Thread(){
         @Override
         public void run() {
              super.run();
         }
     }.start();

首先频繁的创建、销毁对象是一个很消耗性能的事情；
如果用户量比较大，导致占用过多的资源，可能会导致我们的服务由于资源不足而宕机；

所以实际开发中，我们并不推荐这样直接创建线程。我们应该使用线程池来统一管理线程的创建与销毁。

一、线程池简单介绍

线程池，本质上是一种对象池，用于管理线程资源。
在任务执行前，需要从线程池中拿出线程来执行。
在任务执行完成之后，需要把线程放回线程池。
通过线程的这种反复利用机制，可以有效地避免直接创建线程所带来的坏处。

二、线程池优点

降低资源的消耗。线程本身是一种资源，创建和销毁线程会有CPU开销；创建的线程也会占用一定的内存。
提高任务执行的响应速度。任务执行时，可以不必等到线程创建完之后再执行。
提高线程的可管理性。线程不能无限制地创建，需要进行统一的分配、调优和监控。

三、Executors

javaz中为我们封装了一个Executors线程池工厂，提供了很多的工厂方法，方便我们快速创建线程池。

// 创建单一线程的线程池
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor();
// 创建固定数量的线程池
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads);
// 创建带缓存的线程池
public static ExecutorService newCachedThreadPool();
// 创建定时调度的线程池
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize);
// 创建流式（fork-join）线程池
public static ExecutorService newWorkStealingPool();

四、如何正确使用线程池

不要使用Executors.newXXXThreadPool()快捷方法创建线程池，因为这种方式会使用无界的任务队列，为避免OOM，我们应该使用ThreadPoolExecutor的构造方法手动指定队列的最大长度。

ThreadPoolExecutor提供的构造函数

//五个参数的构造函数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,

                          int maximumPoolSize,

                          long keepAliveTime,

                          TimeUnit unit,

                          BlockingQueue workQueue)

//六个参数的构造函数-1

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,

                          int maximumPoolSize,

                          long keepAliveTime,

                          TimeUnit unit,

                          BlockingQueue workQueue,

                          ThreadFactory threadFactory)

//六个参数的构造函数-2

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,

                          int maximumPoolSize,

                          long keepAliveTime,

                          TimeUnit unit,

                          BlockingQueue workQueue,

                          RejectedExecutionHandler handler)

//七个参数的构造函数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,

                          int maximumPoolSize,

                          long keepAliveTime,

                          TimeUnit unit,

                          BlockingQueue workQueue,

                          ThreadFactory threadFactory,

                          RejectedExecutionHandler handler)

corePoolSize，线程池中的核心线程数
maximumPoolSize，线程池中的最大线程数
keepAliveTime，空闲时间，当线程池数量超过核心线程数时，多余的空闲线程存活的时间，即：这些线程多久被销毁。
unit，空闲时间的单位，可以是毫秒、秒、分钟、小时和天，等等
workQueue，等待队列，线程池中的线程数超过核心线程数时，任务将放在等待队列，它是一个BlockingQueue类型的对象
threadFactory，线程工厂，我们可以使用它来创建一个线程
handler，拒绝策略，当线程池和等待队列都满了之后，需要通过该对象的回调函数进行回调处理

基本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：

222.jpg

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。

444.jpg

然后看看 execute() 方法是如何处理的：

111.jpg

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：

333.jpg

五、线程池和装修公司

以运营一家装修公司做个比喻。公司在办公地点等待客户来提交装修请求；公司有固定数量的正式工以维持运转；旺季业务较多时，新来的客户请求会被排期，比如接单后告诉用户一个月后才能开始装修；当排期太多时，为避免用户等太久，公司会通过某些渠道（比如人才市场、熟人介绍等）雇佣一些临时工（注意，招聘临时工是在排期排满之后）；如果临时工也忙不过来，公司将决定不再接收新的客户，直接拒单。

线程池就是程序中的“装修公司”，代劳各种脏活累活。上面的过程对应到线程池上：

// Java线程池的完整构造函数
public ThreadPoolExecutor(
  int corePoolSize, // 正式工数量
  int maximumPoolSize, // 工人数量上限，包括正式工和临时工
  long keepAliveTime, TimeUnit unit, // 临时工游手好闲的最长时间，超过这个时间将被解雇
  BlockingQueue workQueue, // 排期队列
  ThreadFactory threadFactory, // 招人渠道
  RejectedExecutionHandler handler) // 拒单方式

这些参数里面，基本类型的参数都比较简单，我们不做进一步的分析。我们更关心的是workQueue、threadFactory和handler，接下来我们将进一步分析。

1. 等待队列-workQueue

等待队列是BlockingQueue类型的，理论上只要是它的子类，我们都可以用来作为等待队列。

jdk内部自带一些阻塞队列

名称	简介
ArrayBlockingQueue	队列是有界的，基于数组实现的阻塞队列
LinkedBlockingQueue	队列可以有界，也可以无界。基于链表实现的阻塞队列
SynchronousQueue	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，否则插入操作将一直处于阻塞状态。该队列也是Executors.newCachedThreadPool()的默认队列
PriorityBlockingQueue	带优先级的无界阻塞队列通常情况下，我们需要指定阻塞队列的上界（比如1024）。另外，如果执行的任务很多，我们可能需要将任务进行分类，然后将不同分类的任务放到不同的线程池中执行

2. 线程工厂-threadFactory

ThreadFactory是一个接口，只有一个方法。既然是线程工厂，那么我们就可以用它生产一个线程对象。来看看这个接口的定义。

public interface ThreadFactory {

    /**
     * Constructs a new {@code Thread}.  Implementations may also initialize
     * priority, name, daemon status, {@code ThreadGroup}, etc.
     *
     * @param r a runnable to be executed by new thread instance
     * @return constructed thread, or {@code null} if the request to
     *         create a thread is rejected
     */
    Thread newThread(Runnable r);
}

Executors的实现使用了默认的线程工厂-DefaultThreadFactory。它的实现主要用于创建一个线程，线程的名字为pool-{poolNum}-thread-{threadNum}。

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;
    }
}

很多时候，我们需要自定义线程名字。我们只需要自己实现ThreadFactory，用于创建特定场景的线程即可。

3. 拒绝策略-handler

所谓拒绝策略，就是当线程池满了、队列也满了的时候，我们对任务采取的措施。或者丢弃、或者执行、或者其他...

线程池给我们提供了四种常见的拒绝策略：

拒绝策略	拒绝行为
AbortPolicy	抛出RejectedExecutionException
DiscardPolicy	什么也不做，直接忽略
DiscardOldestPolicy	丢弃执行队列中最老的任务，尝试为当前提交的任务腾出位置
CallerRunsPolicy	直接由提交任务者执行这个任务

这四种策略各有优劣，比较常用的是DiscardPolicy，但是这种策略有一个弊端就是任务执行的轨迹不会被记录下来。所以，我们往往需要实现自定义的拒绝策略，通过实现RejectedExecutionHandler接口的方式。

六、提交任务的几种方式

往线程池中提交任务，主要有两种方法，execute()和submit()。

execute()用于提交不需要返回结果的任务

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    executor.execute(() -> System.out.println("hello"));
}

submit()用于提交一个需要返回果的任务。
该方法返回一个Future对象，通过调用这个对象的get()方法，我们就能获得返回结果。get()方法会一直阻塞，直到返回结果返回。
我们也可以使用它的重载方法get(long timeout, TimeUnit unit)，这个方法也会阻塞，但是在超时时间内仍然没有返回结果时，将抛出异常TimeoutException。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    Future future = executor.submit(() -> {
        System.out.println("task is executed");
        return System.currentTimeMillis();
    });
    System.out.println("task execute time is: " + future.get());
}

七、关闭线程池

在线程池使用完成之后，我们需要对线程池中的资源进行释放操作，这就涉及到关闭功能。我们可以调用线程池对象的shutdown()和shutdownNow()方法来关闭线程池。

这两个方法都是关闭操作，又有什么不同呢？

shutdown()会将线程池状态置为SHUTDOWN，不再接受新的任务，同时会等待线程池中已有的任务执行完成再结束。
shutdownNow()会将线程池状态置为SHUTDOWN，对所有线程执行interrupt()操作，清空队列，并将队列中的任务返回回来。
另外，关闭线程池涉及到两个返回boolean的方法，isShutdown()和isTerminated，分别表示是否关闭和是否终止。

八、如何正确配置线程池的参数

前面我们讲到了手动创建线程池涉及到的几个参数，那么我们要如何设置这些参数才算是正确的应用呢？实际上，需要根据任务的特性来分析。

任务的性质：CPU密集型、IO密集型和混杂型
任务的优先级：高中低
任务执行的时间：长中短
任务的依赖性：是否依赖数据库或者其他系统资源

不同的性质的任务，我们采取的配置将有所不同。在《Java并发编程实践》中有相应的计算公式。

通常来说，如果任务属于CPU密集型，那么我们可以将线程池数量设置成CPU的个数，以减少线程切换带来的开销。如果任务属于IO密集型，我们可以将线程池数量设置得更多一些，比如CPU个数*2。

PS：我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()来获取CPU的个数。

总结

尽量使用手动的方式创建线程池，避免使用Executors工厂类
根据场景，合理设置线程池的各个参数，包括线程池数量、队列、线程工厂和拒绝策略
在调线程池submit()方法的时候，一定要尽量避免任务执行异常被吞掉的问题

参考链接
https://www.jianshu.com/p/7ab4ae9443b9
https://www.cnblogs.com/CarpenterLee/p/9558026.html
https://cloud.tencent.com/developer/article/1527294