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java 线程池的分析和使用

2018/12/02

线程池的分析和使用

为什么要用线程池

  • 1，降低资源的消耗，通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗
  • 2，提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  • 3，提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。但是要做到合理的利用线程池，必须要对其了如指掌

线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池

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

创建一个线程池需要几个参数

  • corePoolSize(线程池的基本大小) ： 当提交一个任务到线程池时，线程池户创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池的基本大小就不在创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前创建并启动所有的基本线程

  • runnableTaskQueue(任务队列)：用于保存等待执行的任务的阻塞队列，可以选择以下几个阻塞队列：
    1，ArrayBlockingQueue: 是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO(先进先出)原则对元素进行排序
    2，LinkedBlockingQueue: 是一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO(先进先出)排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
    3，SynchronousQueue: 一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须要等到另一个线程调用移除操作，否则插入一直处于阻塞状态。吞吐量通常高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
    4， PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列

  • maximumPoolSize(线程池最大大小)：线程允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程池小于最大线程数，则线程池会在创建新的线程来执行任务。值得注意的是如果使用了无界队列这个参数就没什么效果。

  • ThreadFactory: 用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个线程设置更有意义的名字，Debug和定位问题是非常有帮助

  • RejectExecutionHandler(饱和策略) ： 当队列和线程池都满了，说明线程处于饱和状态，那么必须采用一种策略处理提交新的任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy,表示无处处理新任务时抛出异常。以下是JDK1.5提供的四种策略。
    1，AbortPolicy：直接抛出异常
    2，CallerRunsPolicy: 只能调用者所在线程来运行任务。
    3，DiscardOldestPolicy: 丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务
    4，DiscardPolicy：不处理，丢弃掉
    当然也可以根据应用场景需要来实现RejectExecutionHandler接口自定义策略，如记录日志或持久化不能处理的任务

  • keepAliveTime: (线程活动保持时间)：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以如果任务很多，并且每个任务执行比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。

  • TimeUnit(线程活动保持时间的单位)：可选的单位有天（DAYS）,小时(HOURS),分钟(MINUTES),毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS)和毫微秒(NANOSECONDS)

向线程池提交任务

我们可以使用execute提交任务，但是execute方法没有返回值，所以无法判断任务是否被线程池执行成功，通过以下代码可知execute方法输入的任务是一个Runnable类的实例

threadsPoll.execute(new Runnble(){
    @Override
    public void run(){
        //TODO
    }
})

我们也可以使用submit()方法来提交任务，它会返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功，通过future的get()方法来获取返回值，get方法会阻塞住直到任务完成，而使用get(long timeout,TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回，这时有可能任务没有执行完成

try{
    object s = futrue.get();
}catch(InterruptedException e){
   // 处理中断异常
   
}finally{
    // 关闭线程池
    executor.shutdown();
}

线程池的关闭

我们可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池，但是它们的实现原理不同，shutdown()的原理只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。shutdownNow()的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的Interrupt()方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。shutdownNow()会首先将线程池的状态设置为STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停的任务的线程，并返回等待执行任务的列表。

只要调用了这两个关闭方法中的其中一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed()方法会返回true。至于我们用哪种方式来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性来决定，通常调用shutDown()来关闭线程池， 如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow

线程池的分析

流程分析： 线程池的主要工作流程如下图

从上图我们可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

  • 1，首先线程池判断线程池的基本线程池是否已满？没满，创建一个工作线程来执行任务。满了，则执行下一个流程
  • 2, 其次线程池判断工作队列是否已满？ 没满，则将新提交的任务存储在工作队列里。满了，则进入下一个流程
  • 3，最后线程池判断整个线程池是否已满？ 没满，则创建一个新的工作线程来执行任务，满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

源码分析：

上面的流程分析让我们很直观的了解线程池的工作原理，让我们再通过源码来看看是如何实现的。线程池执行任务的方法如下：

 public void execute(Runnable command){
    if(command == null){
        throw new NullPointerException();
    }
    // 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
    if(poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)){
        //如果线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中
        if(runState == RUNNING && workQueue.offer(command)){
            if(ruhState != RUNING || poolSize == 0){
                ensureQueueTaskHandled(command);
            }
        }
    }
    //如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，则创建一个线程执行任务
    else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command)){ 
            //抛出RejectedExecutionException异常
            reject(command); // is shutdown or saturated

    }
    
 }

工作线程

线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后，还会无限循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker的run方法里看到这点：

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

4, 合理的配置线程池

要想合理的配置线程池，就必须能首先分析任务特性，可以从几个角度来进行分析

  • 任务的性质：cpu密集型任务，IO密集型任务和混合型任务。
  • 任务的优先级：高，中和低
  • 任务的执行时间：长，中短
  • 任务的依赖性：是否依赖其它系统资源，如数据库连接。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理，Cpu密集型任务配置尽可能的少的线程数量，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由雨需要等待IO操作，线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。 混合型任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只有这两个任务执行时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法来获取当前设备的CPU个数。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。他可以让优先级高的任务先得到执行，需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的就永远也执行不了

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

依赖数据库连接池的任务，因为线程提交sql后需要等待数据库返回结果，如果等待的时间越长cpu空闲的时间就越长，那么线程数应该设置越大。这样才能更好的利用cpu.。

建议使用有界队列, 有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点，比如几千。有一次我们组使用的后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断的抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行sql变得非常缓慢，因为后台任务线程池的任务全是需要向数据库查询和插入数据的， 所以导致线程池里的工作线程全部阻塞住，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，线程池的队列也就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然我们的系统所有的任务是用的单独的服务器部署的，而我们使用不同规模的线程池跑不同类型的任务，但是出现这种问题时也会影响到其他任务。

5，线程池的监控

通过线程池提供的参数进行监控。线程池里有一些属性在监控线程池的时候可以使用

  • taskCount：线程池需要执行的任务数量。
  • completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量。小于或等于taskCount。
  • largestPoolSize：线程池曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否满过。如等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满了。
  • getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
  • getActiveCount：获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。通过继承线程池并重写线程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，我们可以在任务执行前，执行后和线程池关闭前干一些事情。如监控任务的平均执行时间，最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。如：

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

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