线程池原理

一 简介

线程的使用在java中占有极其重要的地位,在jdk1.4极其之前的jdk版本中,关于线程池的使用是极其简陋的。在jdk1.5之后这一情况有了很大的改观。

Jdk1.5之后加入了java.util.concurrent包,这个包中主要介绍java中线程以及线程池的使用。为我们在开发中处理线程的问题提供了非常大的帮助。

二:线程池

线程池的作用:

线程池作用就是提高线程执行的效率,缩短每一个线程的执行的时间,限制系统中执行线程的数量。

为什么要用线程池:

1.减少了创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。

2.可以根据系统的承受能力,调整线程池中工作线线程的数目,防止因为消耗过多的内存,

而把充分利用服务器的性能.(每个线程需要大约1MB内存,线程开的越多,消耗的内存也就越大,最后死机)。

三 java中的线程池

Java里面线程池的顶级接口是Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是ExecutorService。

1.ExecutorService                   真正的线程池接口。

2. ScheduledExecutorService     能和Timer/TimerTask类似,解决那些需要任务重复执行的问题。

3. ThreadPoolExecutor             ExecutorService的默认实现。

4. ScheduledThreadPoolExecutor 继承ThreadPoolExecutor的ScheduledExecutorService接口实现,周期性任务调度的类实现。

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优的,因此在Executors类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。

Executors 对于线程的操作,相当于Arrays对于数组的操作。

1. newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作,也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

2. newFixedThreadPool

创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程,直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。

3. newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程,

那么就会回收部分空闲(60秒不执行任务)的线程,当任务数增加时,此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制,线程池大小完全依赖于操作系统(或者说JVM)能够创建的最大线程大小。

4. newScheduledThreadPool

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

关于这几个线程池的代码的示例:

public class MyThread extends Thread {

    public MyThread(String string) {

        super(string);

        super.setName(string);

    }



    @Override

    public void run() {

        System.out.println(this.getName() + "开始执行。。。");

        try {

            sleep(1001);

            System.out.println(this.getName() + "执行结束");

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }



    }

}
public class TestSingleThreadExecutor {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建一个可重用固定线程数的线程池

        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // 创建实现了Runnable接口对象,Thread对象当然也实现了Runnable接口

        Thread t1 = new MyThread("t1");

        Thread t2 = new MyThread("t2");

        Thread t3 = new MyThread("t3");

        Thread t4 = new MyThread("t4");

        Thread t5 = new MyThread("t5");

        // 将线程放入池中进行执行

         pool.execute(t1);

        pool.execute(t2);

        pool.execute(t3);

        pool.execute(t4);

        pool.execute(t5);

        // 关闭线程池

        pool.shutdown();

    }

}
public class TestFixedThreadPool {

     public static void main(String[] args) {

         // 创建一个可重用固定线程数的线程池

         ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);

         // 创建实现了Runnable接口对象,Thread对象当然也实现了Runnable接口

         Thread t1 = new MyThread("t1");

         Thread t2 = new MyThread("t2");

         Thread t3 = new MyThread("t3");

         Thread t4 = new MyThread("t4");

         Thread t5 = new MyThread("t5");

         // 将线程放入池中进行执行

         pool.execute(t1);

         pool.execute(t2);

         pool.execute(t3);

         pool.execute(t4);

         pool.execute(t5);

         // 关闭线程池

         pool.shutdown();

     }

}
public class TestCachedThreadPool {

     public static void main(String[] args) {

         // 创建一个可重用固定线程数的线程池

         ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();

         // 创建实现了Runnable接口对象,Thread对象当然也实现了Runnable接口

         Thread t1 = new MyThread("t1");

         Thread t2 = new MyThread("t2");

         Thread t3 = new MyThread("t3");

         Thread t4 = new MyThread("t4");

         Thread t5 = new MyThread("t5");

         // 将线程放入池中进行执行

         pool.execute(t1);

         pool.execute(t2);

         pool.execute(t3);

         pool.execute(t4);

         pool.execute(t5);

         // 关闭线程池

         pool.shutdown();

     }

}
public class TestScheduledThreadPoolExecutor {

    public static void main(final String[] args) {

        final ScheduledThreadPoolExecutor exec = new ScheduledThreadPoolExecutor(

                1);

        exec.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {// 每隔一段时间就触发异常

                    @Override

                    public void run() {

                        // throw new RuntimeException();

                        System.out.println("================");

                    }

                }, 1000, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        exec.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {// 每隔一段时间打印系统时间,证明两者是互不影响的

                    @Override

                    public void run() {

                        System.out.println(System.nanoTime());

                    }

                }, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

    }

}

ThreadPoolExecutor详解

ThreadPoolExecutor的完整构造方法的签名是:

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

corePoolSize - 池中所保存的线程数,包括空闲线程。

maximumPoolSize-池中允许的最大线程数。

keepAliveTime - 当线程数大于核心时,此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间。

unit - keepAliveTime 参数的时间单位。

workQueue - 执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由 execute方法提交的 Runnable任务。

threadFactory - 执行程序创建新线程时使用的工厂。

handler - 由于超出线程范围和队列容量而使执行被阻塞时所使用的处理程序。

ThreadPoolExecutor是Executors类的底层实现。

在JDK帮助文档中,有如此一段话:

“强烈建议程序员使用较为方便的Executors工厂方法Executors.newCachedThreadPool()(无界线程池,可以进行自动线程回收)、Executors.newFixedThreadPool(int)(固定大小线程池)Executors.newSingleThreadExecutor()(单个后台线程)

它们均为大多数使用场景预定义了设置。”

下面介绍一下几个类的源码:

ExecutorService newFixedThreadPool (int nThreads):固定大小线程池。

可以看到,corePoolSize和maximumPoolSize的大小是一样的(实际上,后面会介绍,如果使用无界queue的话maximumPoolSize参数是没有意义的),keepAliveTime和unit的设值说明什么?-就是该实现不想keep alive!最后的BlockingQueue选择了LinkedBlockingQueue,该queue有一个特点,他是无界的。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

ExecutorService newSingleThreadExecutor():单线程

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
       return new FinalizableDelegatedExecutorService
           (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
     }

ExecutorService newCachedThreadPool():无界线程池,可以进行自动线程回收

这个实现就有意思了。首先是无界的线程池,所以我们可以发现maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE。其次BlockingQueue的选择上使用SynchronousQueue。可能对于该BlockingQueue有些陌生,简单说:该QUEUE中,每个插入操作必须等待另一个

线程的对应移除操作。比如,我先添加一个元素,接下来如果继续想尝试添加则会阻塞,直到另一个线程取走一个元素,反之亦然。(想到什么?就是缓冲区为1的生产者消费者模式^_^)

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

    先从BlockingQueue<Runnable> workQueue这个传入参数开始说起。在JDK中,其实已经说得很清楚了,一共有三种类型的queue。

    boolean add(E e)
              将指定元素插入此队列中(如果立即可行且不会违反容量限制),成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则抛出 IllegalStateException

    int drainTo(Collection<? super E> c)
              移除此队列中所有可用的元素,并将它们添加到给定 collection 中。

    boolean offer(E e)
              将指定元素插入此队列中(如果立即可行且不会违反容量限制),成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则返回 false

    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
              将指定元素插入此队列中,在到达指定的等待时间前等待可用的空间(如果有必要)。

    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
              获取并移除此队列的头部,在指定的等待时间前等待可用的元素(如果有必要)。

    void put(E e)
              将指定元素插入此队列中,将等待可用的空间(如果有必要)。

    boolean remove(Object o)
              从此队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。

    take()
              获取并移除此队列的头部,在元素变得可用之前一直等待(如果有必要)。

    所有 BlockingQueue 都可用于传输和保持提交的任务。可以使用此队列与池大小进行交互:

      • 如果运行的线程少于 corePoolSize,则 Executor 始终首选添加新的线程,而不进行排队。什么意思?如果当前运行的线程小于corePoolSize,则任务根本不会存放,添加到queue中,而是直接抄家伙(thread)开始运行)
      • 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize,则 Executor 始终首选将请求加入队列,而不添加新的线程
      • 如果无法将请求加入队列,则创建新的线程,除非创建此线程超出 maximumPoolSize,在这种情况下,任务将被拒绝

    到这里的时候,已经不能很清晰的说明了,根据源码的实现来进行说明:

     

    先不着急举例子,因为首先需要知道queue上的三种类型。

    排队有三种通用策略:

          • 直接提交。工作队列的默认选项是 SynchronousQueue它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此,如果不存在可用于立即运行任务的线程,则试图把任务加入队列将失败,因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性。
          • 无界队列。使用无界队列(例如,不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue)将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样,创建的线程就不会超过 corePoolSize。(因此,maximumPoolSize 的值也就无效了。)当每个任务完全独立于其他任务,即任务执行互不影响时,适合于使用无界队列;例如,在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求,当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时,此策略允许无界线程具有增长的可能性。
          • 有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时,有界队列(如 ArrayBlockingQueue)有助于防止资源耗尽,但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷:使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销,但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞(例如,如果它们是 I/O 边界),则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小,CPU 使用率较高,但是可能遇到不可接受的调度开销,这样也会降低吞吐量。

    到这里,该了解的理论已经够多了,可以调节的就是corePoolSize和maximumPoolSizes 这对参数还有就是BlockingQueue的选择。

    例子一:使用直接提交策略,也即SynchronousQueue。

    首先SynchronousQueue是无界的,也就是说他存数任务的能力是没有限制的,但是由于该Queue本身的特性,在某次添加元素后必须等待其他线程取走后才能继续添加。在这里不是核心线程便是新创建的线程,但是我们试想一样下,下面的场景。

    我们使用一下参数构造ThreadPoolExecutor:

    Java代码 收藏代码

    1. new ThreadPoolExecutor( 
    2. 2, 3, 30, TimeUnit.SECONDS,  
    3. new SynchronousQueue <Runnable>(),  
    4. new RecorderThreadFactory("CookieRecorderPool"),  
    5. new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); 

    当核心线程已经有2个正在运行.

    1. 此时继续来了一个任务(A),根据前面介绍的“如果运行的线程等于或多于 corePoolSize,则 Executor 始终首选将请求加入队列,而不添加新的线程。”,所以A被添加到queue中。
    2. 又来了一个任务(B),且核心2个线程还没有忙完,OK,接下来首先尝试1中描述,但是由于使用的SynchronousQueue,所以一定无法加入进去。
    3. 此时便满足了上面提到的“如果无法将请求加入队列,则创建新的线程,除非创建此线程超出maximumPoolSize,在这种情况下,任务将被拒绝。”,所以必然会新建一个线程来运行这个任务。
    4. 暂时还可以,但是如果这三个任务都还没完成,连续来了两个任务,第一个添加入queue中,后一个呢?queue中无法插入,而线程数达到了maximumPoolSize,所以只好执行异常策略了。

    所以在使用SynchronousQueue通常要求maximumPoolSize是无界的,这样就可以避免上述情况发生(如果希望限制就直接使用有界队列)。对于使用SynchronousQueue的作用jdk中写的很清楚:此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。

    什么意思?如果你的任务A1,A2有内部关联,A1需要先运行,那么先提交A1,再提交A2,当使用SynchronousQueue我们可以保证,A1必定先被执行,在A1么有被执行前,A2不可能添加入queue中

    例子二:使用无界队列策略,即LinkedBlockingQueue

    这个就拿newFixedThreadPool来说,根据前文提到的规则:

    写道

    如果运行的线程少于 corePoolSize,则 Executor 始终首选添加新的线程,而不进行排队。

    那么当任务继续增加,会发生什么呢?

    写道

    如果运行的线程等于或多于 corePoolSize,则 Executor 始终首选将请求加入队列,而不添加新的线程。

    OK,此时任务变加入队列之中了,那什么时候才会添加新线程呢?

    写道

    如果无法将请求加入队列,则创建新的线程,除非创建此线程超出 maximumPoolSize,在这种情况下,任务将被拒绝。

    这里就很有意思了,可能会出现无法加入队列吗?不像SynchronousQueue那样有其自身的特点,对于无界队列来说,总是可以加入的(资源耗尽,当然另当别论)。换句说,永远也不会触发产生新的线程!corePoolSize大小的线程数会一直运行,忙完当前的,就从队列中拿任务开始运行。所以要防止任务疯长,比如任务运行的实行比较长,而添加任务的速度远远超过处理任务的时间,而且还不断增加,如果任务内存大一些,不一会儿就爆了,呵呵。

    可以仔细想想哈。

    例子三:有界队列,使用ArrayBlockingQueue。

    这个是最为复杂的使用,所以JDK不推荐使用也有些道理。与上面的相比,最大的特点便是可以防止资源耗尽的情况发生。

    举例来说,请看如下构造方法:

    1. new ThreadPoolExecutor( 
    2. 2, 4, 30, TimeUnit.SECONDS,  
    3. new ArrayBlockingQueue<Runnable>(2),  
    4. new RecorderThreadFactory("CookieRecorderPool"),  
    5. new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); 

    假设,所有的任务都永远无法执行完。

    对于首先来的A,B来说直接运行,接下来,如果来了C,D,他们会被放到queu中,如果接下来再来E,F,则增加线程运行E,F。但是如果再来任务,队列无法再接受了,线程数也到达最大的限制了,所以就会使用拒绝策略来处理。

    总结:

    1. ThreadPoolExecutor的使用还是很有技巧的。
    2. 使用无界queue可能会耗尽系统资源。
    3. 使用有界queue可能不能很好的满足性能,需要调节线程数和queue大小
    4. 线程数自然也有开销,所以需要根据不同应用进行调节。
    5. 通常来说对于静态任务可以归为:
    6. 数量大,但是执行时间很短
    7. 数量小,但是执行时间较长
    8. 数量又大执行时间又长
    9. 除了以上特点外,任务间还有些内在关系

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