聊聊併發（三）Java線程池的分析和使用

##引言## 合理利用線程池可以帶來三個好處。**第一：下降資源消耗。**經過重複利用已建立的線程下降線程建立和銷燬形成的消耗。**第二：提升響應速度。**當任務到達時，任務能夠不須要的等到線程建立就能當即執行。**第三：提升線程的可管理性。**線程是稀缺資源，若是無限制的建立，不只會消耗系統資源，還會下降系統的穩定性，使用線程池能夠進行統一的分配，調優和監控。可是要作到合理的利用線程池，必須對其原理了如指掌。 ##線程池的使用## ###線程池的建立### 咱們能夠經過ThreadPoolExecutor來建立一個線程池。

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

建立一個線程池須要輸入幾個參數： corePoolSize（線程池的基本大小）：當提交一個任務到線程池時，線程池會建立一個線程來執行任務，即便其餘空閒的基本線程可以執行新任務也會建立線程，等到須要執行的任務數大於線程池基本大小時就再也不建立。若是調用了線程池的prestartAllCoreThreads方法，線程池會提早建立並啓動全部基本線程。 runnableTaskQueue（任務隊列）：用於保存等待執行的任務的阻塞隊列。能夠選擇如下幾個阻塞隊列。 （1）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。 （2）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，吞吐量一般要高於ArrayBlockingQueue。靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。 （3）SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個插入操做必須等到另外一個線程調用移除操做，不然插入操做一直處於阻塞狀態，吞吐量一般要高於LinkedBlockingQueue，靜態工廠方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個隊列。 （4）PriorityBlockingQueue：一個具備優先級得無限阻塞隊列。 maximumPoolSize（線程池最大大小）：線程池容許建立的最大線程數。若是隊列滿了，而且已建立的線程數小於最大線程數，則線程池會再建立新的線程執行任務。值得注意的是若是使用了無界的任務隊列這個參數就沒什麼效果。 ThreadFactory：用於設置建立線程的工廠，能夠經過線程工廠給每一個建立出來的線程設置更有意義的名字，Debug和定位問題時很是又幫助。 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，那麼必須採起一種策略處理提交的新任務。這個策略默認狀況下是AbortPolicy，表示沒法處理新任務時拋出異常。如下是JDK1.5提供的四種策略。 （1）AbortPolicy：直接拋出異常。 （2）CallerRunsPolicy：只用調用者所在線程來運行任務。 （3）DiscardOldestPolicy：丟棄隊列裏最近的一個任務，並執行當前任務。 （4）DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。 （5）固然也能夠根據應用場景須要來實現RejectedExecutionHandler接口自定義策略。如記錄日誌或持久化不能處理的任務。 keepAliveTime（線程活動保持時間）：線程池的工做線程空閒後，保持存活的時間。因此若是任務不少，而且每一個任務執行的時間比較短，能夠調大這個時間，提升線程的利用率。 TimeUnit（線程活動保持時間的單位）：可選的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鐘（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。 ###向線程池提交任務### 咱們可使用execute提交的任務，可是execute方法沒有返回值，因此沒法判斷任務知否被線程池執行成功。經過如下代碼可知execute方法輸入的任務是一個Runnable類的實例。

threadsPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
    }
});

咱們也可使用submit 方法來提交任務，它會返回一個future,那麼咱們能夠經過這個future來判斷任務是否執行成功，經過future的get方法來獲取返回值，get方法會阻塞住直到任務完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法則會阻塞一段時間後當即返回，這時有可能任務沒有執行完。

try {
    Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
    // 處理中斷異常
} catch (ExecutionException e) {
    // 處理沒法執行任務異常
} finally {
    // 關閉線程池
    executor.shutdown();
}

###線程池的關閉### 咱們能夠經過調用線程池的shutdown或shutdownNow方法來關閉線程池，可是它們的實現原理不一樣，shutdown的原理是隻是將線程池的狀態設置成SHUTDOWN狀態，而後中斷全部沒有正在執行任務的線程。shutdownNow的原理是遍歷線程池中的工做線程，而後逐個調用線程的interrupt方法來中斷線程，因此沒法響應中斷的任務可能永遠沒法終止。shutdownNow會首先將線程池的狀態設置成STOP，而後嘗試中止全部的正在執行或暫停任務的線程，並返回等待執行任務的列表。

只要調用了這兩個關閉方法的其中一個，isShutdown方法就會返回true。當全部的任務都已關閉後,才表示線程池關閉成功，這時調用isTerminaed方法會返回true。至於咱們應該調用哪種方法來關閉線程池，應該由提交到線程池的任務特性決定，一般調用shutdown來關閉線程池，若是任務不必定要執行完，則能夠調用shutdownNow。 ##線程池的分析## 流程分析：線程池的主要工做流程以下圖： ![在此輸入圖片描述][1] 從上圖咱們能夠看出，當提交一個新任務到線程池時，線程池的處理流程以下： （1）首先線程池判斷基本線程池是否已滿？沒滿，建立一個工做線程來執行任務。滿了，則進入下個流程。 （2）其次線程池判斷工做隊列是否已滿？沒滿，則將新提交的任務存儲在工做隊列裏。滿了，則進入下個流程。 （3）最後線程池判斷整個線程池是否已滿？沒滿，則建立一個新的工做線程來執行任務，滿了，則交給飽和策略來處理這個任務。

上面的流程分析讓咱們很直觀的瞭解的線程池的工做原理，讓咱們再經過源代碼來看看是如何實現的。線程池執行任務的方法以下：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();

    //若是線程數小於基本線程數，則建立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建立失敗，則將當前任務放到工做隊列中。
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
        //若是線程池不處於運行中或任務沒法放入隊列，而且當前線程數量小於最大容許的線程數量，則建立一個線程執行任務。
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
            //拋出RejectedExecutionException異常
            reject(command); // is shutdown or saturated
    }
}

線程池建立線程時，會將線程封裝成工做線程Worker，Worker在執行完任務後，還會無限循環獲取工做隊列裏的任務來執行。咱們能夠從Worker的run方法裏看到這點：

public void run() {
    try {
        Runnable task = firstTask;
        firstTask = null;

        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            runTask(task);
            task = null;
        }
    } finally {
        workerDone(this);
    }
}

##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，能夠從如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：是否依賴其餘系統資源，如數據庫鏈接。 任務性質不一樣的任務能夠用不一樣規模的線程池分開處理。CPU密集型任務配置儘量少的線程數量，如配置Ncpu+1個線程的線程池。IO密集型任務則因爲須要等待IO操做，線程並非一直在執行任務，則配置儘量多的線程，如2*Ncpu。混合型的任務，若是能夠拆分，則將其拆分紅一個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，那麼分解後執行的吞吐率要高於串行執行的吞吐率，若是這兩個任務執行時間相差太大，則不必進行分解。咱們能夠經過Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法得到當前設備的CPU個數。

優先級不一樣的任務可使用優先級隊列PriorityBlockingQueue來處理。它可讓優先級高的任務先獲得執行，須要注意的是若是一直有優先級高的任務提交到隊列裏，那麼優先級低的任務可能永遠不能執行。

執行時間不一樣的任務能夠交給不一樣規模的線程池來處理，或者也可使用優先級隊列，讓執行時間短的任務先執行。

依賴數據庫鏈接池的任務，由於線程提交SQL後須要等待數據庫返回結果，若是等待的時間越長CPU空閒時間就越長，那麼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，有界隊列能增長系統的穩定性和預警能力，能夠根據須要設大一點，好比幾千。有一次咱們組使用的後臺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，經過排查發現是數據庫出現了問題，致使執行SQL變得很是緩慢，由於後臺任務線程池裏的任務全是須要向數據庫查詢和插入數據的，因此致使線程池裏的工做線程所有阻塞住，任務積壓在線程池裏。若是當時咱們設置成無界隊列，線程池的隊列就會愈來愈多，有可能會撐滿內存，致使整個系統不可用，而不僅是後臺任務出現問題。固然咱們的系統全部的任務是用的單獨的服務器部署的，而咱們使用不一樣規模的線程池跑不一樣類型的任務，可是出現這樣問題時也會影響到其餘任務。

##線程池的監控## 經過線程池提供的參數進行監控。線程池裏有一些屬性在監控線程池的時候可使用。 taskCount：線程池須要執行的任務數量。 completedTaskCount：線程池在運行過程當中已完成的任務數量。小於或等於taskCount。 largestPoolSize：線程池曾經建立過的最大線程數量。經過這個數據能夠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。若是線程池不銷燬的話，池裏的線程不會自動銷燬，因此這個大小隻增不減。 getActiveCount：獲取活動的線程數。

經過擴展線程池進行監控。經過繼承線程池並重寫線程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，咱們能夠在任務執行前，執行後和線程池關閉前幹一些事情。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裏是空方法。 [1]: http://static.oschina.net/uploads/space/2015/0318/171952_gf1I_120166.jpg