Java线程池的使用

前言

在Java中，我们可以利用多线程来最大化地压榨CPU多核计算的能力。但是，线程本身是把双刃剑，我们需要知道它的利弊，才能在实际系统中游刃有余地运用。

在进入主题之前，我们先了解一下线程池的基本概念。

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。

我们先来看看线程池带来了哪些好处。

1. 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。
2. 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。
3. 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。

接下来，我们看看不使用线程池有哪些坏处。

1. 频繁的线程创建和销毁会占用更多的CPU和内存
2. 频繁的线程创建和销毁会对GC产生比较大的压力
3. 线程太多，线程切换带来的开销将不可忽视
4. 线程太少，多核CPU得不到充分利用，是一种浪费

因此，我们有必要对线程池进行比较完整地说明，以便能对线程池进行正确地治理。

线程池实现原理

线程池主要处理流程

通过上图，我们看到了线程池的主要处理流程。我们的关注点在于，任务提交之后是怎么执行的。大致如下：

1. 判断核心线程池是否已满，如果不是，则创建线程执行任务
2. 如果核心线程池满了，判断队列是否满了，如果队列没满，将任务放在队列中
3. 如果队列满了，则判断线程池是否已满，如果没满，创建线程执行任务
4. 如果线程池也满了，则按照拒绝策略对任务进行处理

在jdk里面，我们可以将处理流程描述得更清楚一点。来看看ThreadPoolExecutor的处理流程。

ThreadPoolExecutor的处理流程

我们将概念做一下映射。

1. corePool -> 核心线程池
2. maximumPool -> 线程池
3. BlockQueue -> 队列
4. RejectedExecutionHandler -> 拒绝策略

入门级例子

为了更直观地理解线程池，我们通过一个例子来宏观地了解一下线程池用法。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("thread id is: " + Thread.currentThread().getId());
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

在这个例子中，我们首先创建了一个固定长度为5的线程池。然后使用循环的方式往线程池中提交了10个任务，每个任务休眠1秒。在任务休眠之前，将任务所在的线程id进行打印输出。

所以，理论上只会打印5个不同的线程id，且每个线程id会被打印2次。是不是这样的呢？检验真理最好的方式就是运行一下。我们看看执行结果如何。

简单例子的执行结果

Executors

Executors是一个线程池工厂，提供了很多的工厂方法，我们来看看它大概能创建哪些线程池。

// 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();

1. 创建单一线程的线程池

顾名思义，这个线程池只有一个线程。若多个任务被提交到此线程池，那么会被缓存到队列（队列长度为Integer.MAX_VALUE）。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理。

2. 创建固定数量的线程池

和创建单一线程的线程池类似，只是这儿可以并行处理任务的线程数更多一些罢了。若多个任务被提交到此线程池，会有下面的处理过程。

1. 如果线程的数量未达到指定数量，则创建线程来执行任务
2. 如果线程池的数量达到了指定数量，并且有线程是空闲的，则取出空闲线程执行任务
3. 如果没有线程是空闲的，则将任务缓存到队列（队列长度为Integer.MAX_VALUE）。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理

3. 创建带缓存的线程池

这种方式创建的线程池，核心线程池的长度为0，线程池最大长度为Integer.MAX_VALUE。由于本身使用SynchronousQueue作为等待队列的缘故，导致往队列里面每插入一个元素，必须等待另一个线程从这个队列删除一个元素。

4. 创建定时调度的线程池

和上面3个工厂方法返回的线程池类型有所不同，它返回的是ScheduledThreadPoolExecutor类型的线程池。平时我们实现定时调度功能的时候，可能更多的是使用第三方类库，比如：quartz等。但是对于更底层的功能，我们仍然需要了解。

我们写一个例子来看看如何使用。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);

        // 定时调度，每个调度任务会至少等待`period`的时间，
        // 如果任务执行的时间超过`period`，则等待的时间为任务执行的时间
        executor.scheduleAtFixedRate(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10000);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() / 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

        // 定时调度，第二个任务执行的时间 = 第一个任务执行时间 + `delay`
        executor.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() / 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

        // 定时调度，延迟`delay`后执行，且只执行一次
        executor.schedule(() -> System.out.println("5 秒之后执行 schedule"), 5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

1. scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)，定时调度，每个调度任务会至少等待period的时间，如果任务执行的时间超过period，则等待的时间为任务执行的时间
2. scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)，定时调度，第二个任务执行的时间 = 第一个任务执行时间 + delay
3. schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)，定时调度，延迟delay后执行，且只执行一次

手动创建线程池

理论上，我们可以通过Executors来创建线程池，这种方式非常简单。但正是因为简单，所以限制了线程池的功能。比如：无长度限制的队列，可能因为任务堆积导致OOM，这是非常严重的bug，应尽可能地避免。怎么避免？归根结底，还是需要我们通过更底层的方式来创建线程池。

抛开定时调度的线程池不管，我们看看ThreadPoolExecutor。它提供了好几个构造方法，但是最底层的构造方法却只有一个。那么，我们就从这个构造方法着手分析。

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

这个构造方法有7个参数，我们逐一来进行分析。

1. corePoolSize，线程池中的核心线程数
2. maximumPoolSize，线程池中的最大线程数
3. 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。
4. unit，空闲时间的单位，可以是毫秒、秒、分钟、小时和天，等等
5. 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
6. threadFactory，线程工厂，我们可以使用它来创建一个线程
7. 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

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。

同时，jdk内部自带一些阻塞队列，我们来看看大概有哪些。

1. ArrayBlockingQueue，队列是有界的，基于数组实现的阻塞队列
2. LinkedBlockingQueue，队列可以有界，也可以无界。基于链表实现的阻塞队列
3. 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
4. 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...

jdk自带4种拒绝策略，我们来看看。

1. CallerRunsPolicy // 在调用者线程执行
2. AbortPolicy // 直接抛出RejectedExecutionException异常
3. DiscardPolicy // 任务直接丢弃，不做任何处理
4. DiscardOldestPolicy // 丢弃队列里最旧的那个任务，再尝试执行当前任务

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。

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，我们看一个例子。

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。另外，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<Long> future = executor.submit(() -> {
        System.out.println("task is executed");
        return System.currentTimeMillis();
    });
    System.out.println("task execute time is: " + future.get());
}

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？

1. 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。
2. 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。

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。

1. 任务的性质：CPU密集型、IO密集型和混杂型
2. 任务的优先级：高中低
3. 任务执行的时间：长中短
4. 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。

线程池监控

如果系统中大量用到了线程池，那么我们有必要对线程池进行监控。利用监控，我们能在问题出现前提前感知到，也可以根据监控信息来定位可能出现的问题。

那么我们可以监控哪些信息？又有哪些方法可用于我们的扩展支持呢？

首先，ThreadPoolExecutor自带了一些方法。

1. long getTaskCount()，获取已经执行或正在执行的任务数
2. long getCompletedTaskCount()，获取已经执行的任务数
3. int getLargestPoolSize()，获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过
4. int getPoolSize()，获取线程池线程数
5. int getActiveCount()，获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）

其次，ThreadPoolExecutor留给我们自行处理的方法有3个，它在ThreadPoolExecutor中为空实现（也就是什么都不做）。

1. protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) // 任务执行前被调用
2. protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) // 任务执行后被调用
3. protected void terminated() // 线程池结束后被调用

针对这3个方法，我们写一个例子。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(1)) {
            @Override protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
                System.out.println("beforeExecute is called");
            }
            @Override protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
                System.out.println("afterExecute is called");
            }
            @Override protected void terminated() {
                System.out.println("terminated is called");
            }
        };

        executor.submit(() -> System.out.println("this is a task"));
        executor.shutdown();
    }
}

输出结果如下：

beforeExecute is called
this is a task
afterExecute is called
terminated is called

一个特殊的问题

任何代码在使用的时候都可能遇到问题，线程池也不例外。楼主在现实的系统中就遇到过很奇葩的问题。我们来看一个例子。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(new DivTask(100, i));
        }
    }

    static class DivTask implements Runnable {
        int a, b;

        public DivTask(int a, int b) {
            this.a = a;
            this.b = b;
        }

        @Override public void run() {
            double result = a / b;
            System.out.println(result);
        }
    }
}

该代码执行的结果如下。

image.png

我们循环了5次，理论上应该有5个结果被输出。可是最终的执行结果却很让人很意外--只有4次输出。我们进一步分析发现，当第一次循环，除数为0时，理论上应该抛出异常才对，但是这儿却没有，异常被莫名其妙地吞掉了！

这又是为什么呢？

我们进一步看看submit()方法，这个方法是一个非阻塞方法，有一个返回对象，返回的是Future对象。那么我们就猜测，会不会是因为没有对Future对象做处理导致的。

我们将代码微调一下，重新运行，异常信息终于打印出来了。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    Future future= executor.submit(new DivTask(100, i));
    try {
        future.get();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

PS：在使用submit()的时候一定要注意它的返回对象Future，为了避免任务执行异常被吞掉的问题，我们需要调用Future.get()方法。另外，使用execute()将不会出现这种问题。

总结

通过这篇文章，我们已经对Java线程池有了一个比较全面和深入的理解。根据前人的经验，我们需要注意下面几点：

1. 尽量使用手动的方式创建线程池，避免使用Executors工厂类
2. 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
3. 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/0424d339c85c
• http://www.cnblogs.com/superfj/p/7544971.html
• 书籍-Java并发编程的艺术
• 书籍-Java并发编程实践