深入理解 Java 線程池

一、簡介

什么是線程池

線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務添加到隊列，然后在創建線程后自動啟動這些任務。

為什么要用線程池

如果並發請求數量很多，但每個線程執行的時間很短，就會出現頻繁的創建和銷毀線程。如此一來，會大大降低系統的效率，可能頻繁創建和銷毀線程的時間、資源開銷要大於實際工作的所需。

正是由於這個問題，所以有必要引入線程池。使用 線程池的好處 有以下幾點：

• 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。
• 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。
• 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。但是要做到合理的利用線程池，必須對其原理了如指掌。

二、Executor 框架

Executor 框架是一個根據一組執行策略調用，調度，執行和控制的異步任務的框架，目的是提供一種將”任務提交”與”任務如何運行”分離開來的機制。

核心 API 概述

Executor 框架核心 API 如下：

• Executor - 運行任務的簡單接口。
• ExecutorService - 擴展了 Executor 接口。擴展能力：
  • 支持有返回值的線程；
  • 支持管理線程的生命周期。
• ScheduledExecutorService - 擴展了 ExecutorService 接口。擴展能力：支持定期執行任務。
• AbstractExecutorService - ExecutorService 接口的默認實現。
• ThreadPoolExecutor - Executor 框架最核心的類，它繼承了 AbstractExecutorService 類。
• ScheduledThreadPoolExecutor - ScheduledExecutorService 接口的實現，一個可定時調度任務的線程池。
• Executors - 可以通過調用 Executors 的靜態工廠方法來創建線程池並返回一個 ExecutorService 對象。

Executor

Executor 接口中只定義了一個 execute 方法，用於接收一個 Runnable 對象。

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

ExecutorService 接口繼承了 Executor 接口，它還提供了 invokeAll、invokeAny、shutdown、submit 等方法。

public interface ExecutorService extends Executor {

    void shutdown();

    List<Runnable> shutdownNow();

    boolean isShutdown();

    boolean isTerminated();

    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

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

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

    Future<?> submit(Runnable task);

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

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

    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

從其支持的方法定義，不難看出：相比於 Executor 接口，ExecutorService 接口主要的擴展是：

• 支持有返回值的線程 - sumbit、invokeAll、invokeAny 方法中都支持傳入Callable 對象。
• 支持管理線程生命周期 - shutdown、shutdownNow、isShutdown 等方法。

ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 接口擴展了 ExecutorService 接口。

它除了支持前面兩個接口的所有能力以外，還支持定時調度線程。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);

    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);

    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

其擴展的接口提供以下能力：

• schedule 方法可以在指定的延時后執行一個 Runnable 或者 Callable 任務。
• scheduleAtFixedRate 方法和 scheduleWithFixedDelay 方法可以按照指定時間間隔，定期執行任務。

三、ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 類是 Executor 框架中最核心的類。所以，本文將着重講述一下這個類。

重要字段

ThreadPoolExecutor 有以下重要字段：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

參數說明：

• ctl - 用於控制線程池的運行狀態和線程池中的有效線程數量。它包含兩部分的信息：
  • 線程池的運行狀態 (runState)
  • 線程池內有效線程的數量 (workerCount)
  • 可以看到，ctl 使用了 Integer 類型來保存，高 3 位保存 runState，低 29 位保存 workerCount。COUNT_BITS 就是 29，CAPACITY 就是 1 左移 29 位減 1（29 個 1），這個常量表示 workerCount 的上限值，大約是 5 億。
• 運行狀態 - 線程池一共有五種運行狀態：
  • RUNNING - 運行狀態。接受新任務，並且也能處理阻塞隊列中的任務。
  • SHUTDOWN - 關閉狀態。不接受新任務，但可以處理阻塞隊列中的任務。
    • 在線程池處於 RUNNING 狀態時，調用 shutdown 方法會使線程池進入到該狀態。
    • finalize 方法在執行過程中也會調用 shutdown 方法進入該狀態。
  • STOP - 停止狀態。不接受新任務，也不處理隊列中的任務。會中斷正在處理任務的線程。在線程池處於 RUNNING 或 SHUTDOWN 狀態時，調用 shutdownNow 方法會使線程池進入到該狀態。
  • TIDYING - 整理狀態。如果所有的任務都已終止了，workerCount (有效線程數) 為 0，線程池進入該狀態后會調用 terminated 方法進入 TERMINATED 狀態。
  • TERMINATED - 已終止狀態。在 terminated 方法執行完后進入該狀態。默認 terminated 方法中什么也沒有做。進入 TERMINATED 的條件如下：
    • 線程池不是 RUNNING 狀態；
    • 線程池狀態不是 TIDYING 狀態或 TERMINATED 狀態；
    • 如果線程池狀態是 SHUTDOWN 並且 workerQueue 為空；
    • workerCount 為 0；
    • 設置 TIDYING 狀態成功。

構造方法

ThreadPoolExecutor 有四個構造方法，前三個都是基於第四個實現。第四個構造方法定義如下：

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

參數說明：

• corePoolSize - 核心線程數量。當有新任務通過 execute 方法提交時 ，線程池會執行以下判斷：
  • 如果運行的線程數少於 corePoolSize，則創建新線程來處理任務，即使線程池中的其他線程是空閑的。
  • 如果線程池中的線程數量大於等於 corePoolSize 且小於 maximumPoolSize，則只有當 workQueue 滿時才創建新的線程去處理任務；
  • 如果設置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，則創建的線程池的大小是固定的。這時如果有新任務提交，若 workQueue 未滿，則將請求放入 workQueue 中，等待有空閑的線程去從 workQueue 中取任務並處理；
  • 如果運行的線程數量大於等於 maximumPoolSize，這時如果 workQueue 已經滿了，則使用 handler 所指定的策略來處理任務；
  • 所以，任務提交時，判斷的順序為 corePoolSize => workQueue => maximumPoolSize。
• maximumPoolSize - 最大線程數量。
  • 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。
• keepAliveTime：線程保持活動的時間。
  • 當線程池中的線程數量大於 corePoolSize 的時候，如果這時沒有新的任務提交，核心線程外的線程不會立即銷毀，而是會等待，直到等待的時間超過了 keepAliveTime。
  • 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。
• unit - keepAliveTime 的時間單位。有 7 種取值。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)。
• workQueue - 等待執行的任務隊列。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 - 有界阻塞隊列。
    • 此隊列是基於數組的先進先出隊列（FIFO）。
    • 此隊列創建時必須指定大小。
  • LinkedBlockingQueue - 無界阻塞隊列。
    • 此隊列是基於鏈表的先進先出隊列（FIFO）。
    • 如果創建時沒有指定此隊列大小，則默認為 Integer.MAX_VALUE。
    • 吞吐量通常要高於 ArrayBlockingQueue。
    • 使用 LinkedBlockingQueue 意味着： maximumPoolSize 將不起作用，線程池能創建的最大線程數為 corePoolSize，因為任務等待隊列是無界隊列。
    • Executors.newFixedThreadPool 使用了這個隊列。
  • SynchronousQueue - 不會保存提交的任務，而是將直接新建一個線程來執行新來的任務。
    • 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。
    • Executors.newCachedThreadPool 使用了這個隊列。
  • PriorityBlockingQueue - 具有優先級的無界阻塞隊列。
• threadFactory - 線程工廠。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。
• handler - 飽和策略。它是 RejectedExecutionHandler 類型的變量。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。線程池支持以下策略：
  • AbortPolicy - 丟棄任務並拋出異常。這也是默認策略。
  • DiscardPolicy - 丟棄任務，但不拋出異常。
  • DiscardOldestPolicy - 丟棄隊列最前面的任務，然后重新嘗試執行任務（重復此過程）。
  • CallerRunsPolicy - 只用調用者所在的線程來運行任務。
  • 如果以上策略都不能滿足需要，也可以通過實現 RejectedExecutionHandler 接口來定制處理策略。如記錄日志或持久化不能處理的任務。

execute 方法

默認情況下，創建線程池之后，線程池中是沒有線程的，需要提交任務之后才會創建線程。

提交任務可以使用 execute 方法，它是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通過這個方法可以向線程池提交一個任務，交由線程池去執行。

execute 方法工作流程如下：

1. 如果 workerCount < corePoolSize，則創建並啟動一個線程來執行新提交的任務；
2. 如果 workerCount >= corePoolSize，且線程池內的阻塞隊列未滿，則將任務添加到該阻塞隊列中；
3. 如果 workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且線程池內的阻塞隊列已滿，則創建並啟動一個線程來執行新提交的任務；
4. 如果workerCount >= maximumPoolSize，並且線程池內的阻塞隊列已滿，則根據拒絕策略來處理該任務, 默認的處理方式是直接拋異常。

其他重要方法

在 ThreadPoolExecutor 類中還有一些重要的方法：

• submit - 類似於 execute，但是針對的是有返回值的線程。submit 方法是在 ExecutorService 中聲明的方法，在 AbstractExecutorService 就已經有了具體的實現。ThreadPoolExecutor 直接復用 AbstractExecutorService 的 submit 方法。
• shutdown - 不會立即終止線程池，而是要等所有任務緩存隊列中的任務都執行完后才終止，但再也不會接受新的任務。
  • 將線程池切換到 SHUTDOWN 狀態；
  • 並調用 interruptIdleWorkers 方法請求中斷所有空閑的 worker；
  • 最后調用 tryTerminate 嘗試結束線程池。
• shutdownNow - 立即終止線程池，並嘗試打斷正在執行的任務，並且清空任務緩存隊列，返回尚未執行的任務。與 shutdown 方法類似，不同的地方在於：
  • 設置狀態為 STOP；
  • 中斷所有工作線程，無論是否是空閑的；
  • 取出阻塞隊列中沒有被執行的任務並返回。
• isShutdown - 調用了 shutdown 或 shutdownNow 方法后，isShutdown 方法就會返回 true。
• isTerminaed - 當所有的任務都已關閉后，才表示線程池關閉成功，這時調用 isTerminaed 方法會返回 true。
• setCorePoolSize - 設置核心線程數大小。
• setMaximumPoolSize - 設置最大線程數大小。
• getTaskCount - 線程池已經執行的和未執行的任務總數；
• getCompletedTaskCount - 線程池已完成的任務數量，該值小於等於 taskCount；
• getLargestPoolSize - 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，也就是達到了 maximumPoolSize；
• getPoolSize - 線程池當前的線程數量；
• getActiveCount - 當前線程池中正在執行任務的線程數量。

使用示例

public class ThreadPoolExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 500, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
            Executors.defaultThreadFactory(),
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPoolExecutor.execute(new MyThread());
            String info = String.format("線程池中線程數目：%s，隊列中等待執行的任務數目：%s，已執行玩別的任務數目：%s",
                threadPoolExecutor.getPoolSize(),
                threadPoolExecutor.getQueue().size(),
                threadPoolExecutor.getCompletedTaskCount());
            System.out.println(info);
        }
        threadPoolExecutor.shutdown();
    }

    static class MyThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
        }

    }

}

四、Executors

JDK 的 Executors 類中提供了幾種具有代表性的線程池，這些線程池 都是基於 ThreadPoolExecutor 的定制化實現。

在實際使用線程池的場景中，我們往往不是直接使用 ThreadPoolExecutor ，而是使用 JDK 中提供的具有代表性的線程池實例。

newSingleThreadExecutor

創建一個單線程的線程池。

只會創建唯一的工作線程來執行任務，保證所有任務按照指定順序(FIFO, LIFO, 優先級)執行。 如果這個唯一的線程因為異常結束，那么會有一個新的線程來替代它 。

單工作線程最大的特點是：可保證順序地執行各個任務。

示例：

public class SingleThreadExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newFixedThreadPool

創建一個固定大小的線程池。

每次提交一個任務就會新創建一個工作線程，如果工作線程數量達到線程池最大線程數，則將提交的任務存入到阻塞隊列中。

FixedThreadPool 是一個典型且優秀的線程池，它具有線程池提高程序效率和節省創建線程時所耗的開銷的優點。但是，在線程池空閑時，即線程池中沒有可運行任務時，它不會釋放工作線程，還會占用一定的系統資源。

示例：

public class FixedThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newCachedThreadPool

創建一個可緩存的線程池。

• 如果線程池長度超過處理任務所需要的線程數，就會回收部分空閑的線程；
• 如果長時間沒有往線程池中提交任務，即如果工作線程空閑了指定的時間（默認為 1 分鍾），則該工作線程將自動終止。終止后，如果你又提交了新的任務，則線程池重新創建一個工作線程。
• 此線程池不會對線程池大小做限制，線程池大小完全依賴於操作系統（或者說 JVM）能夠創建的最大線程大小。 因此，使用 CachedThreadPool 時，一定要注意控制任務的數量，否則，由於大量線程同時運行，很有會造成系統癱瘓。

示例：

public class CachedThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newScheduleThreadPool

創建一個大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執行任務的需求。

public class ScheduledThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        schedule();
        scheduleAtFixedRate();
    }

    private static void schedule() {
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.schedule(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
                }
            }, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        executorService.shutdown();
    }

    private static void scheduleAtFixedRate() {
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執行");
                }
            }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

參考資料

• 《Java 並發編程實戰》
• 《Java 並發編程的藝術》
• 深入理解 Java 線程池：ThreadPoolExecutor
• java 並發編程--Executor 框架