一文了解Java 线程池的正确使用姿势

2022-11-13 18:11:18 线程姿势一文

概述

线程池在平时的工作中出场率非常高，基本大家多多少少都要了解过，可能不是很全面，本文和大家基于jdk8学习下线程池的全面使用，以及分享下使用过程中遇到的一些坑。

线程池介绍

因为线程资源十分宝贵，每次创建和销毁线程的开销都比较大，另一方面，如果创建太多的线程，也会消耗系统大量资源，降低系统吞吐量，甚至导致服务不可用。为了解决这些问题，提出一种基于池化思想管理和使用线程的机制，就是我们的线程池。

线程池的核心思想就是能做到线程的复用，线程池中的线程执行完成不会销毁，而是存留在内存里，等待执行其他的任务。

jdk中的线程池采用的是一种生产者—消费者模型，如下图：

外部提交任务到线程池中，如果线程数量小于指定阈值的话，直接创建线程
如果提交任务大于阈值，会存到队列中
线程池中的工作线程执行前面的任务完成后，不会销毁，而是去从队列中获取任务，继续执行。

线程池创建

线程池提供如下2种方式创建方式：

ThreadPoolExecutor创建

下面是线程池类ThreadPoolExecutor最全参数的构造函数

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

1.corePoolSize: 核心线程数，线程池中始终存活的线程数量

2.maximumPoolSize：最大线程数，线程池中容纳最大的线程数量，这里引入一个"救急线程"的概念，可以想象为"临时工",它的数量=maximumPoolSize-corePoolSize，这部分线程会超过一定时间后销毁。

3.keepAliveTime："救急线程"的可以存活的时间，当超过这段时间这些线程没有任务执行，就会被回收。

4.unit：单位，和keepAliveTime配合使用。

5.workQueue: 阻塞队列，用来存储提交的多余的任务，等待工作线程执行完毕后获取，它有下面7个类型：

参数	描述
ArrayBlockingQueue	一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue	一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
SynchronousQueue	一个不存储元素的阻塞队列，即直接提交给线程不保持它们。
PriorityBlockingQueue	一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue	一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。
LinkedTransferQueue	一个由链表结构组成的无界阻塞队列。与SynchronousQueue类似，还含有非阻塞方法。
LinkedBlockingDeque	一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

6.threadFactory: 线程工厂，用于创建线程，可以指定线程名。

7.handler: 拒绝策略，如果任务超限时执行的策略，内置了4种可选，默认AbortPolicy，也可以自定义。

参数	描述
AbortPolicy	拒绝并抛出异常。
CallerRunsPolicy	重试提交当前的任务，即再次调用运行该任务的execute()方法。
DiscardOldestPolicy	抛弃队列头部（最旧）的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy	抛弃当前任务。

通过这些参数创建好线程后，提交一个线程的执行流程图如下：

当线程数小于核心线程数时，创建线程。
当线程数大于等于核心线程数，且任务队列未满时，将任务放入任务队列。
当线程数大于等于核心线程数，且任务队列已满, 若线程数小于最大线程数，创建救急线程，否则执行拒绝策略。

Executors创建

由于上面线程池的构造方法比较复杂，jdk也为我们提供了一种便利的方式，通过Executors工厂创建多种不同的线程池。

newFixedThreadPool

创建一个固定大小的线程池

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

核心线程数等于最大线程数
阻塞队列是无界的，可以不限制任务数量，可能会因为任务太多OOM
使用默认的线程工厂和拒绝策略
适用于任务量已知、相对耗时的任务

newCachedThreadPool

创建一个核心线程为0，最大线程数不限的线程池

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

核心线程数为0，最大线程数不限制，来一个任务就会创建一个线程，过一段时间会销毁，这样可能会导致线程过多而导致系统资源耗尽。
队列采用了 SynchronousQueue 实现，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）。
适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况。

newSingleThreadExecutor

创建只有一个线程的线程池。

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

核心线程数和最大线程数都为1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。
适用于只有一个任务执行情况。

问题： newSingleThreadExecutor和newFixedThreadPool(1)区别是什么呢？

newSingleThreadExecutor中创建的线程通过FinalizableDelegatedExecutorService 实现，采用装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，后续也无法修改线程池的大小。而Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1，以后还可以修改，对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改。

newScheduledThreadPool

创建可以执行延迟任务的线程池

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }

适用于一些延迟执行的调度任务

newWorkStealingPool

这是jdk8引入的一种方式，创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定）。

public static ExecutorService newWorkStealingPool() {
        return new ForkJoinPool
            (Runtime.getRuntime().availableProcessors(),
             ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
             null, true);
    }

注意这个不是基于ThreadPoolExecutor 创建出来，而是基于ForkJoinPool 扩展，将任务按照工作线程均分。然后先工作完的线程去帮助没处理完的线程工作。以实现最快完成工作。

适合处理很耗的任务。

线程池关键API和例子

提交执行任务API

void execute(Runnable command)

提交执行Runnable任务，无返回值

Future<T> submit(Callable<T> task)

提交任务 callable任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

Future<?> submit(Runnable task)

提交Runnable任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

Future<T> submit(Runnable task, T result)

提交Runnable任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，返回传入的result, 主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)

批量提交Callable任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程阻塞等待任务执行完成。

List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)

带超时时间的批量提交Callable任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程阻塞等待任务执行完成或者过了超时时间。

T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)

提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消

T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)

提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间

@Test
    public void test1() throws ExecutionException, InterruptedException {
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 100,
                100, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50),
                new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            // execute的方式提交任务
            threadPool.execute(() -> {
                log.info("execute ....");
            });
        }

        // submit runnable
        Future<String> futureCall = threadPool.submit(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "callable Result";
            }
        });
        // 阻塞等待结果返回
        String result = futureCall.get();
        log.info("submit callable: {}", result);

        // submit runnable
        Future<String> future = threadPool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("submit runnable ....");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "submit result");
        // 阻塞等待结果返回
        result = future.get();
        log.info("submit runnable: {}", result);

        List<Callable<String>> callables = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int j = i;
            callables.add(new Callable<String>() {
                @Override
                public String call() throws Exception {
                    Thread.sleep(2000);
                    return "callable" + j;
                }
            });
        }
        List<Future<String>> futures = threadPool.invokeAll(callables);
        for (Future<String> stringFuture : futures) {
            String invoke = stringFuture.get();
            log.info("invoke result: {}", invoke);
        }

        String invokeAny = threadPool.invokeAny(callables);
        log.info("invoke any: {}", invokeAny);
    }

关闭线程池API

shutdown()

优雅关闭线程池，不会接收新任务，但已提交任务会执行完，包括等待队列里面的。

List<Runnable> shutdownNow()

立即关闭线程池，不会接收新任务，也不会执行队列中的任务，并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务，返回队列中的任务。

isshutdown()

返回线程池是否关闭

isTerminated()

如果在关闭后所有任务都已完成，则返回true。注意，除非先调用shutdown或shutdownNow，否则istterminated永远不会为true。

boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)

阻塞直到所有任务在关闭请求后完成执行，或发生超时，或当前线程被中断(以先发生的情况为准)。如果该执行程序终止，则为True;如果在终止前超时，则为false。

线程池监控API

long getTaskCount()：获取已经执行或正在执行的任务数
long getCompletedTaskCount(): 获取已经执行的任务数
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
int getPoolSize()： 获取线程池线程数
int getActiveCount(): 获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）

扩展API

ThreadPoolExecutor留下了3个扩展接口供我们使用。

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

@Test
    public void test3() {
        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();
    }

运行结果：

使用注意事项

1.创建线程池的时候，根据阿里巴巴规范，创建线程池的时候根据使用场景自定义ThreadPoolExecutor的方式，尽量避免是使用Executors。

2.只有当任务都是同类型并且互相独立，线程池的性能才能达到最佳。

如果将运行时间较长的与运行时间较短的任务混合在一起，可能造成"拥塞"。
如果提交的任务依赖于其他任务，比如某任务等待另一任务的返回值或执行结果，而这他们是提交到同一个Executor中，这种情况就会发生线程饥饿锁。

3.在线程池中会导致从ThreadLocal中获取数据发生混乱，应该尽量避免使用。

4.如果使用submit提交任务，会吞掉异常日志，在线程池中尽量使用try catch捕获异常。

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