线程池焦点原理浅析

前言

由于系统资源是有限的，为了降低资源消耗，提高系统的性能和稳固性，引入了线程池对线程进行统一的管理和监控，本文将详细解说线程池的利用、原理。
为什么利用线程池

池化头脑

线程池主要用到了池化头脑，池化头脑在计算机领域十分常见，主要用于减少资源浪费、提高性能等。
池化头脑主要包含以下几个方面：
     

一些常见的资源池包括线程池、数据库毗连池、对象池、缓存池、毗连池等。
池化头脑可以提高系统的性能，因为它减少了资源的创建和销毁次数，避免了不必要的开销。通过池化，系统可以更好地应对高并发情况，降低资源竞争，提高响应速度。
什么是线程池

根据池化头脑，在一个系统中，为了避免线程频繁的创建和销毁，让线程可以复用，引入了线程池的概念。线程池中，总有那么几个活泼线程。
当你需要利用线程时，可以从池子中任意拿一个空闲线程，当完成工作时，并不急着关闭线程，而是将这个线程退回到池子，方便其他人利用。
简单说就是，在利用线程池后，创建线程变成了从线程池中获得空闲线程，关闭线程编程了向池子里归还线程。
大抵流程如下：
     

## 为什么利用线程池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步伐都可以利用线程池。在开发过程中，合理地利用线程池可以或许带来3个好处。

• 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。
  
• 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。
  
• 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，还会降低系统的稳固性，利用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
  

要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。
线程池的利用

     

## ThreadPoolExecutorThreadPoolExecutor 的创建方法总体来说可分为 2 种：

• 通过 ThreadPoolExecutor 构造函数
  
• 通过 Executors 类创建
  

通过构造函数

1.1. 入参含义

这个也是推荐利用的方法，因为通过 Executors 类创建可能会导致 OOM，如下图阿里开发规范中的描述。
     

构造函数入参：

1. public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
2.                           int maximumPoolSize,
3.                           long keepAliveTime,
4.                           TimeUnit unit,
5.                           BlockingQueue<Runnable> workQueue,
6.                           ThreadFactory threadFactory,
7.                           RejectedExecutionHandler handler)

复制代码

构造函数入参含义：
     

1.2. 阻塞队列

workQueue 可选的 BlockingQueue：
     

1.3. 拒绝策略

     

如下图，上述拒绝策略均实现 RejectedExecutionHandler 接口，且为 ThreadPoolExecutor 的内部类。
     

若以上策略仍无法满意实际应用需要，完全可以自已扩展 RejectedExecutionHandler 接口。

1. public interface RejectedExecutionHandler {
3.     /**
4.      * @param r 当前请求执行的任务
5.      * @param executor 当前的线程池
6.      */
7.     void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
8. }

复制代码

示例：

1. public class RejectedExecutionDemo {
2.     public static class MyTask implements Runnable{
4.         @Override
5.         public void run() {
6.             System.out.println(new Date() + "：Thread ID is" + Thread.currentThread().getId());
8.             try {
9.                 Thread.sleep(100);
10.             } catch (InterruptedException e) {
11.                 throw new RuntimeException(e);
12.             }
13.         }
14.     }
16.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
17.         MyTask myTask = new MyTask();
18.         ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 5,
19.                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
20.                 new LinkedBlockingQueue<>(10),
21.                 Executors.defaultThreadFactory(),
22.                 (r, executor) -> System.out.println(r.hashCode() + "is discard")
23.         );
25.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
26.             executorService.submit(myTask);
27.             Thread.sleep(10);
28.         }
29.     }
30. }

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上述示例中，mytask 执行需要耗费100毫秒，因此，必然会导致一些任务被直接丢弃。在实际应用中，我们可以将更详细的信息记载到日志中，来分析任务丢失情况和系统负载。
     

通过 Executors

Executors 类饰演着线程池工厂的角色，通过该类可以取得一个拥有定功能的线程池。
该类可以创建三种类型的 ThreadPoolExecutor：

• FixedThreadPool
  
• SingleThreadExecutor
  
• CachedThreadPool
  

2.1. FixedThreadPool

固定线程数的线程池，该线程池中的线程数目始终稳定。当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即执行。若没有，则新的任务会被临时存在任务队列中，待有线程空闲时，在处理惩罚队列中的任务。
FixedThreadPool 利用的无界任务队列 LinkedBlockingQueue，可能造成内存泄漏。

1. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
2.     return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
3.                                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
4.                                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
5. }
7. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
8.     return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
9.                                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
10.                                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
11.                                   threadFactory);
12. }

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2.2. SingleThreadExecutor

只有一个工作线程的线程池，当多于 1 个任务被提交时，会存到任务队列中。该线程池利用的无界任务队列 LinkedBlockingQueue，可能造成内存泄漏。

1. public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
2.     return new FinalizableDelegatedExecutorService
3.         (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
4.                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
5.                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
6. }
8. public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
9.     return new FinalizableDelegatedExecutorService
10.         (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
11.                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
12.                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
13.                                 threadFactory));
14. }

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2.3. CachedThreadPool

根据实际情况调整线程数的线程池，线程池的线程数目不确定，若有空闲线程可复用，则会优先利用。若所有线程均在工作，此时新的任务则会创建新的线程优先处理惩罚。所有线程在任务执行完毕后，将返回线程池进行复用。
corePoolSize 被设置为0，maximumPoolSize 被设置为无界，存活时间设置为 60s，空闲线程超过60秒后将会被
终止。极度情况线程创建过多，会导致内存泄漏。

1. public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
2.     return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
3.                                   60L, TimeUnit.SECONDS,
4.                                   new SynchronousQueue<Runnable>());
5. }
8. public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
9.     return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
10.                                   60L, TimeUnit.SECONDS,
11.                                   new SynchronousQueue<Runnable>(),
12.                                   threadFactory);
13. }

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ScheduledThreadPoolExecutor

简介

如下图， ScheduledThreadPoolExecutor 继续自ThreadPoolExecutor，它主要用来定期执行任务，功能与 Timer 雷同且更加强大，可以在构造函数中指定多个对应的背景线程数。
     

利用

可通过 Executors 创建，源码如下：

1. public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
2.     return new DelegatedScheduledExecutorService
3.         (new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
4. }
6. public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
7.     return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
8. }
10. public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
11.         int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
12.     return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
13. }

复制代码

这里的返回值是 ScheduledExecutorService，根据时间对线程进行调理。有三个主要方法：

1. public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {
3.     /**
4.      * 给定时间对任务进行调度
5.      */
6.     public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
7.                                        long delay, TimeUnit unit);
9.     /**
10.      * 周期性对任务进行调度
11.      * 以第一个任务的开始时间 initialDelay + period
12.      * 第一个任务在 initialDelay + period 执行
13.      * 第二个任务在 initialDelay + period * 2 执行
14.      */
15.     public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
16.                                                   long initialDelay,
17.                                                   long period,
18.                                                   TimeUnit unit);
20.     /**
21.      * 周期性对任务进行调度
22.      * 上一个任务结束后，再经过 period 时间开始执行
23.      */
24.     public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
25.                                                      long initialDelay,
26.                                                      long delay,
27.                                                      TimeUnit unit);
28. }

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如果任务遇到异常，那么后续的所有子任务都会停止调理，因此，必须包管异常被及时处理惩罚，为周期性任务的稳固调理提供条件。
ForkJoinPool

fork 是开启子进程，join 是等待，意思是分支子进程结束后才能得到结果，实际开发中，若频繁的 fork 开启线程可能严重影响系统性能，所以引入了 ForkJoinPool。
大抵流程是，向 ForkJoinPool 线程池中提交一个 ForkJoinTask 任务，就是将任务分解成多个小任务，等任务全部完成后进行处理惩罚，这里采用了分治的头脑，详细我将在后续单独展开，这里不多做赘述。
ForkJoin 可能出现两个标题：

• 子线程积累过多，可能导致系统性能严重降落；
  
• 调用层次过深，可能导致栈溢出。
  

线程池的任务提交

execute()

该方法用于提交不需要返回值的任务，且无法判断任务是否被线程池执行乐成。

源码见下面的线程池原理章节。

submit()

该方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回 Future 对象，可以判断任务是否执行乐成，还可以通过 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，还可以设置超时时间，到时立即返回，不过这时有可能任务没有执行完。

1. public Future<?> submit(Runnable task) {
2.     if (task == null) throw new NullPointerException();
3.     RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
4.     execute(ftask);
5.     return ftask;
6. }

复制代码

线程池的关闭

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() 来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。
两种方法存在肯定的区别，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，表示线程池关闭乐成，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，如果任务不肯定要执行完，则可以调用 shutdownNow 方法。
线程池执行原理

执行源码

1. public void execute(Runnable command) {
2.     if (command == null)
3.         throw new NullPointerException();
5.     int c = ctl.get();
6.    
7.     // 如果当前工作线程数是否小于核心线程数
8.     if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
9.         // 添加核心线程去执行任务，成功则return
10.         if (addWorker(command, true))
11.             return;
12.         // 添加失败，ctl有变化，需重新获取
13.         c = ctl.get();
14.     }
17.     // 判断是否为RUNNING，此时核心线程数已满，需加入任务队列
18.     if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
19.         int recheck = ctl.get();
20.         // 检查若不是RUNNING则将任务从队列移除
21.         if (! isRunning(recheck) && remove(command))
22.             // 执行拒绝策略
23.             reject(command);
24.             
25.         // 正常则添加一个非核心空线程，执行队列中的任务
26.         else if (workerCountOf(recheck) == 0)
27.             addWorker(null, false);
28.     }
30.     // 表示核心线程满了，队列也满了，创建非核心线程，执行任务
31.     else if (!addWorker(command, false))
32.         // 最大线程数也满了，走拒绝策略
33.         reject(command);
34. }

复制代码

流程图

     

参考：
[1] 魏鹏. Java并发编程的艺术.
[2] 葛一鸣/郭超. 实战Java高并发步伐计划.

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