線程池ThreadPoolExecutor類的使用

1.使用線程池的好處？

第一：降低資源消耗。通過重復利用已創建的線程降低線程創建和銷毀造成的消耗。

第二：提高響應速度。當任務到達時，任務可以不需要等到線程創建就能立即執行。

第三：提高線程的可管理性。線程是稀缺資源，如果無限制的創建，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定性，使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控。

可以先看下線程池的類圖：

 

2.ThreadPoolExecutor的使用

線程池的狀態：

A.線程池的創建

我們可以通過java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor來創建一個線程池。

new  ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, handler);

創建線程池需要的參數介紹：

• corePoolSize（線程池的基本大小）：當提交一個任務到線程池時，線程池會創建一個線程來執行任務，即使其他空閑的基本線程能夠執行新任務也會創建線程，等到需要執行的任務數大於線程池基本大小時就不再創建。如果調用了線程池的prestartAllCoreThreads方法，線程池會提前創建並啟動所有基本線程。

• runnableTaskQueue（任務隊列）：用於保存等待執行的任務的阻塞隊列。 可以選擇以下幾個阻塞隊列。

  • ArrayBlockingQueue：是一個基於數組結構的有界阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
  • LinkedBlockingQueue：一個基於鏈表結構的阻塞隊列，此隊列按FIFO （先進先出） 排序元素，吞吐量通常要高於ArrayBlockingQueue。靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。
  • SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，吞吐量通常要高於LinkedBlockingQueue，靜態工廠方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個隊列。
  • PriorityBlockingQueue：一個具有優先級的無限阻塞隊列。

• maximumPoolSize（線程池最大大小）：線程池允許創建的最大線程數。如果隊列滿了，並且已創建的線程數小於最大線程數，則線程池會再創建新的線程執行任務。值得注意的是如果使用了無界的任務隊列這個參數就沒什么效果。

• ThreadFactory：用於設置創建線程的工廠，可以通過線程工廠給每個創建出來的線程設置更有意義的名字。

• RejectedExecutionHandler（飽和策略）：當隊列和線程池都滿了，說明線程池處於飽和狀態，那么必須采取一種策略處理提交的新任務。這個策略默認情況下是AbortPolicy，表示無法處理新任務時拋出異常。以下是JDK1.5提供的四種策略。

  • AbortPolicy：直接拋出異常。
  • CallerRunsPolicy：只用調用者所在線程來運行任務。
  • DiscardOldestPolicy：丟棄隊列里最近的一個任務，並執行當前任務。
  • DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。
  • 當然也可以根據應用場景需要來實現RejectedExecutionHandler接口自定義策略。如記錄日志或持久化不能處理的任務。

• keepAliveTime（線程活動保持時間）：線程池的工作線程空閑后，保持存活的時間。所以如果任務很多，並且每個任務執行的時間比較短，可以調大這個時間，提高線程的利用率。

• TimeUnit（線程活動保持時間的單位）：可選的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鍾（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

B.向線程池提交任務

　　提交任務有execute()和submit()兩個方法，下面看看他倆的區別：

　　①接收參數不同

　　execute()的參數是Runnable，submit()參數可以是Runnable，也可以是Cable。

　　②返回值不同

　　execute()沒有返回值，submit()有返回值Future。通過Future可以獲取各個線程的完成情況，是否有異常，還能試圖取消任務的執行。詳見》》》》》》》》

　　execute()很好理解，下面看個使用submit()獲取返回值的例子，假設我有很多更新各種數據的task，我希望如果其中一個task失敗，其它的task就不需要執行了。那我就需要catch Future.get拋出的異常，然后終止其它task的執行，代碼如下：

public class SubmitTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        List<Future<String>> futureList = new ArrayList<>();
        // 創建10個任務並執行  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 使用ExecutorService執行Callable類型的任務，並將結果保存在future變量中
            Future<String> future = executorService.submit(new TaskRunn(i));
            // 將任務執行結果存儲到List中
            futureList.add(future);
        }
        // 正常關閉線程池
        executorService.shutdown();
        // 遍歷任務的結果  
        for (Future<String> future : futureList) {
            try {
                System.out.println(future.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ExecutionException e) {
                // 出錯了停止所有的線程
                executorService.shutdownNow();
                e.printStackTrace();
                return;
            }
        }
    }
}

class TaskRunn implements Callable<String>{
    
    private int id;
    public TaskRunn(int id) {
        this.id = id;
    }

    /**
     * 任務的具體過程，一旦任務傳給ExecutorService的submit方法，則該方法自動在一個線程上執行
     */
    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("call() begin..."+id+"//"+Thread.currentThread().getName());
        if (new Random().nextInt(10) > 5) {
            throw new TaskException("task err:"+id+"//"+Thread.currentThread().getName());
        }
        // 模擬業務耗時
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.sleep(1000);
        }
        return "result:"+id+"//" +Thread.currentThread().getName();
    }
}

// 定義自己的異常
class TaskException extends Exception{
    public TaskException(String mess) {
        super(mess);
    }
}

 

c.線程池的關閉

我們可以通過調用線程池的shutdown或shutdownNow方法來關閉線程池，它們的區別詳見 http://www.cnblogs.com/shamo89/p/6703563.html

可以簡單的總結為shutdown()是正常結束線程池，已經添加進去正在執行的線程正常執行，沒添加的線程不會再添加。shutdownNow()則是強制中斷線程池里的線程，但是因為是通過interuppt()來執行的，所以會有局限性，另外該方法會返回未執行的任務。

所以通常調shutdown來正常關閉線程池，如果任務不一定要執行完，則可以調用shutdownNow。

3. 線程池的分析

A.流程分析：線程池的主要工作流程如下圖：

 

從上圖我們可以看出，當提交一個新任務到線程池時，線程池的處理流程如下：

1. 首先線程池判斷基本線程池是否已滿？沒滿，創建一個工作線程來執行任務。滿了，則進入下個流程。
2. 其次線程池判斷工作隊列是否已滿？沒滿，則將新提交的任務存儲在工作隊列里。滿了，則進入下個流程。
3. 最后線程池判斷整個線程池是否已滿？沒滿，則創建一個新的工作線程來執行任務，滿了，則交給飽和策略來處理這個任務。

B.源碼分析

上面的流程分析讓我們很直觀的了解了線程池的工作原理，讓我們再通過源代碼來看看是如何實現的。線程池執行任務的方法如下：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
       throw new NullPointerException();
    //如果線程數小於基本線程數，則創建線程並執行當前任務
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
    //如線程數大於等於基本線程數或線程創建失敗，則將當前任務放到工作隊列中。
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                      ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
    //如果線程池不處於運行中或任務無法放入隊列，並且當前線程數量小於最大允許的線程數量，
// 則創建一個線程執行任務。
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
        //拋出RejectedExecutionException異常
            reject(command); // is shutdown or saturated
    }
}

C.工作線程

線程池創建線程時，會將線程封裝成工作線程Worker，Worker在執行完任務后，還會無限循環獲取工作隊列里的任務來執行。我們可以從Worker的run方法里看到這點：

public void run() {
     try {
           Runnable task = firstTask;
           firstTask = null;
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    runTask(task);
                    task = null;
            }
      } finally {
             workerDone(this);
      }
}

4. 合理的配置線程池

要想合理的配置線程池，就必須首先分析任務特性，可以從以下幾個角度來進行分析：

1. 任務的性質：CPU密集型任務，IO密集型任務和混合型任務。
2. 任務的優先級：高，中和低。
3. 任務的執行時間：長，中和短。
4. 任務的依賴性：是否依賴其他系統資源，如數據庫連接。

任務性質不同的任務可以用不同規模的線程池分開處理。

CPU密集型任務配置盡可能小的線程，如配置Ncpu+1個線程的線程池。

IO密集型任務則由於線程並不是一直在執行任務，則配置盡可能多的線程，如2*Ncpu。

混合型的任務，如果可以拆分，則將其拆分成一個CPU密集型任務和一個IO密集型任務，只要這兩個任務執行的時間相差不是太大，那么分解后執行的吞吐率要高於串行執行的吞吐率，如果這兩個任務執行時間相差太大，則沒必要進行分解。

我們可以通過Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法獲得當前設備的CPU個數。

優先級不同的任務可以使用優先級隊列PriorityBlockingQueue來處理。它可以讓優先級高的任務先得到執行，需要注意的是如果一直有優先級高的任務提交到隊列里，那么優先級低的任務可能永遠不能執行。

執行時間不同的任務可以交給不同規模的線程池來處理，或者也可以使用優先級隊列，讓執行時間短的任務先執行。

依賴數據庫連接池的任務，因為線程提交SQL后需要等待數據庫返回結果，如果等待的時間越長CPU空閑時間就越長，那么線程數應該設置越大，這樣才能更好的利用CPU。

建議使用有界隊列，有界隊列能增加系統的穩定性和預警能力，可以根據需要設大一點，比如幾千。

有一次我們組使用的后台任務線程池的隊列和線程池全滿了，不斷的拋出拋棄任務的異常，通過排查發現是數據庫出現了問題，導致執行SQL變得非常緩慢，因為后台任務線程池里的任務全是需要向數據庫查詢和插入數據的，所以導致線程池里的工作線程全部阻塞住，

任務積壓在線程池里。

如果當時我們設置成無界隊列，線程池的隊列就會越來越多，有可能會撐滿內存，導致整個系統不可用，而不只是后台任務出現問題。

當然我們的系統所有的任務是用的單獨的服務器部署的，而我們使用不同規模的線程池跑不同類型的任務，但是出現這樣問題時也會影響到其他任務。

5. 線程池的監控

通過線程池提供的參數進行監控。線程池里有一些屬性在監控線程池的時候可以使用

• taskCount：線程池需要執行的任務數量。
• completedTaskCount：線程池在運行過程中已完成的任務數量。小於或等於taskCount。
• largestPoolSize：線程池曾經創建過的最大線程數量。通過這個數據可以知道線程池是否滿過。如等於線程池的最大大小，則表示線程池曾經滿了。
• getPoolSize:線程池的線程數量。如果線程池不銷毀的話，池里的線程不會自動銷毀，所以這個大小只增不+ getActiveCount：獲取活動的線程數。

通過擴展線程池進行監控。通過繼承線程池並重寫線程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，我們可以在任務執行前，執行后和線程池關閉前干一些事情。如監控任務的平均執行時間，最大執行時間和最小執行時間等。這幾個方法在線程池里是空方法。如：

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }