Java并发基础(七) 线程池

2021-02-02 约 6301 字预计阅读 13 分钟次阅读 java concurrent

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1. 简介

1.1. 什么是线程池

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。

1.2. 为什么要用线程池

如果并发请求数量很多，但每个线程执行的时间很短，就会出现频繁的创建和销毁线程。如此一来，会大大降低系统的效率，可能频繁创建和销毁线程的时间、资源开销要大于实际工作的所需。

正是由于这个问题，所以有必要引入线程池。使用 线程池的好处 有以下几点：

降低资源消耗 - 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。
提高响应速度 - 当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
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，必须对其原理了如指掌。

2. Executor 框架

Executor 框架是一个根据一组执行策略调用，调度，执行和控制的异步任务的框架，目的是提供一种将”任务提交”与”任务如何运行”分离开来的机制。

2.1. 核心 API 概述

Executor 框架核心 API 如下：

Executor - 运行任务的简单接口。
ExecutorService - 扩展了 Executor 接口。扩展能力：
- 支持有返回值的线程；
- 支持管理线程的生命周期。
ScheduledExecutorService - 扩展了 ExecutorService 接口。扩展能力：支持定期执行任务。
AbstractExecutorService - ExecutorService 接口的默认实现。
ThreadPoolExecutor - Executor 框架最核心的类，它继承了 AbstractExecutorService 类。
ScheduledThreadPoolExecutor - ScheduledExecutorService 接口的实现，一个可定时调度任务的线程池。
Executors - 可以通过调用 Executors 的静态工厂方法来创建线程池并返回一个 ExecutorService 对象。

2.2. Executor

Executor 接口中只定义了一个 execute 方法，用于接收一个 Runnable 对象。

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

2.3. ExecutorService

ExecutorService 接口继承了 Executor 接口，它还提供了 invokeAll、invokeAny、shutdown、submit 等方法。

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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;
}

从其支持的方法定义，不难看出：相比于 Executor 接口，ExecutorService 接口主要的扩展是：

支持有返回值的线程 - sumbit、invokeAll、invokeAny 方法中都支持传入Callable 对象。
支持管理线程生命周期 - shutdown、shutdownNow、isShutdown 等方法。

2.4. ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 接口扩展了 ExecutorService 接口。

它除了支持前面两个接口的所有能力以外，还支持定时调度线程。

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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);

}

其扩展的接口提供以下能力：

schedule 方法可以在指定的延时后执行一个 Runnable 或者 Callable 任务。
scheduleAtFixedRate 方法和 scheduleWithFixedDelay 方法可以按照指定时间间隔，定期执行任务。

3. ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 类是 Executor 框架中最核心的类。所以，本文将着重讲述一下这个类。

3.1. 重要字段

ThreadPoolExecutor 有以下重要字段：

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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;

参数说明：

ctl - 用于控制线程池的运行状态和线程池中的有效线程数量。它包含两部分的信息：
- 线程池的运行状态 (runState)
- 线程池内有效线程的数量 (workerCount)
- 可以看到，ctl 使用了 Integer 类型来保存，高 3 位保存 runState，低 29 位保存 workerCount。COUNT_BITS 就是 29，CAPACITY 就是 1 左移 29 位减 1（29 个 1），这个常量表示 workerCount 的上限值，大约是 5 亿。
运行状态 - 线程池一共有五种运行状态：
- RUNNING - 运行状态。接受新任务，并且也能处理阻塞队列中的任务。
- SHUTDOWN - 关闭状态。不接受新任务，但可以处理阻塞队列中的任务。
  - 在线程池处于 RUNNING 状态时，调用 shutdown 方法会使线程池进入到该状态。
  - finalize 方法在执行过程中也会调用 shutdown 方法进入该状态。
- STOP - 停止状态。不接受新任务，也不处理队列中的任务。会中断正在处理任务的线程。在线程池处于 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态时，调用 shutdownNow 方法会使线程池进入到该状态。
- TIDYING - 整理状态。如果所有的任务都已终止了，workerCount (有效线程数) 为 0，线程池进入该状态后会调用 terminated 方法进入 TERMINATED 状态。
- TERMINATED - 已终止状态。在 terminated 方法执行完后进入该状态。默认 terminated 方法中什么也没有做。进入 TERMINATED 的条件如下：
  - 线程池不是 RUNNING 状态；
  - 线程池状态不是 TIDYING 状态或 TERMINATED 状态；
  - 如果线程池状态是 SHUTDOWN 并且 workerQueue 为空；
  - workerCount 为 0；
  - 设置 TIDYING 状态成功。

3.2. 构造方法

ThreadPoolExecutor 有四个构造方法，前三个都是基于第四个实现。第四个构造方法定义如下：

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

参数说明：

corePoolSize - 核心线程数量。当有新任务通过 execute 方法提交时，线程池会执行以下判断：
- 如果运行的线程数少于 corePoolSize，则创建新线程来处理任务，即使线程池中的其他线程是空闲的。
- 如果线程池中的线程数量大于等于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize，则只有当 workQueue 满时才创建新的线程去处理任务；
- 如果设置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，则创建的线程池的大小是固定的。这时如果有新任务提交，若 workQueue 未满，则将请求放入 workQueue 中，等待有空闲的线程去从 workQueue 中取任务并处理；
- 如果运行的线程数量大于等于 maximumPoolSize，这时如果 workQueue 已经满了，则使用 handler 所指定的策略来处理任务；
- 所以，任务提交时，判断的顺序为 corePoolSize => workQueue => maximumPoolSize。
maximumPoolSize - 最大线程数量。
- 如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。
- 值得注意的是：如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
keepAliveTime：线程保持活动的时间。
- 当线程池中的线程数量大于 corePoolSize 的时候，如果这时没有新的任务提交，核心线程外的线程不会立即销毁，而是会等待，直到等待的时间超过了 keepAliveTime。
- 所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
unit - keepAliveTime 的时间单位。有 7 种取值。可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（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 - 等待执行的任务队列。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。
- ArrayBlockingQueue - 有界阻塞队列。
  - 此队列是基于数组的先进先出队列（FIFO）。
  - 此队列创建时必须指定大小。
- LinkedBlockingQueue - 无界阻塞队列。
  - 此队列是基于链表的先进先出队列（FIFO）。
  - 如果创建时没有指定此队列大小，则默认为 Integer.MAX_VALUE。
  - 吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。
  - 使用 LinkedBlockingQueue 意味着： maximumPoolSize 将不起作用，线程池能创建的最大线程数为 corePoolSize，因为任务等待队列是无界队列。
  - Executors.newFixedThreadPool 使用了这个队列。
- SynchronousQueue - 不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。
  - 每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态。
  - 吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue。
  - Executors.newCachedThreadPool 使用了这个队列。
- PriorityBlockingQueue - 具有优先级的无界阻塞队列。
threadFactory - 线程工厂。可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
handler - 饱和策略。它是 RejectedExecutionHandler 类型的变量。当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。线程池支持以下策略：
- AbortPolicy - 丢弃任务并抛出异常。这也是默认策略。
- DiscardPolicy - 丢弃任务，但不抛出异常。
- DiscardOldestPolicy - 丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）。
- CallerRunsPolicy - 直接调用 run 方法并且阻塞执行。
- 如果以上策略都不能满足需要，也可以通过实现 RejectedExecutionHandler 接口来定制处理策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。

3.3. execute 方法

默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。

提交任务可以使用 execute 方法，它是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。

execute 方法工作流程如下：

如果 workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务；
如果 workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中；
如果 workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务；
如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满，则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。

3.4. 其他重要方法

在 ThreadPoolExecutor 类中还有一些重要的方法：

submit - 类似于 execute，但是针对的是有返回值的线程。submit 方法是在 ExecutorService 中声明的方法，在 AbstractExecutorService 就已经有了具体的实现。ThreadPoolExecutor 直接复用 AbstractExecutorService 的 submit 方法。
shutdown - 不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务。
- 将线程池切换到 SHUTDOWN 状态；
- 并调用 interruptIdleWorkers 方法请求中断所有空闲的 worker；
- 最后调用 tryTerminate 尝试结束线程池。
shutdownNow - 立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。与 shutdown 方法类似，不同的地方在于：
- 设置状态为 STOP；
- 中断所有工作线程，无论是否是空闲的；
- 取出阻塞队列中没有被执行的任务并返回。
isShutdown - 调用了 shutdown 或 shutdownNow 方法后，isShutdown 方法就会返回 true。
isTerminaed - 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。
setCorePoolSize - 设置核心线程数大小。
setMaximumPoolSize - 设置最大线程数大小。
getTaskCount - 线程池已经执行的和未执行的任务总数；
getCompletedTaskCount - 线程池已完成的任务数量，该值小于等于 taskCount；
getLargestPoolSize - 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，也就是达到了 maximumPoolSize；
getPoolSize - 线程池当前的线程数量；
getActiveCount - 当前线程池中正在执行任务的线程数量。

3.5. 使用示例

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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("线程池中线程数目：%s，队列中等待执行的任务数目：%s，已执行玩别的任务数目：%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() + " 执行");
        }

    }

}

4. Executors

JDK 的 Executors 类中提供了几种具有代表性的线程池，这些线程池 都是基于 ThreadPoolExecutor 的定制化实现。

在实际使用线程池的场景中，我们往往不是直接使用 ThreadPoolExecutor ，而是使用 JDK 中提供的具有代表性的线程池实例。

4.1. newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池。

只会创建唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。 如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它 。

单工作线程最大的特点是：可保证顺序地执行各个任务。

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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() + " 执行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

4.2. newFixedThreadPool

创建一个固定大小的线程池。

每次提交一个任务就会新创建一个工作线程，如果工作线程数量达到线程池最大线程数，则将提交的任务存入到阻塞队列中。

FixedThreadPool 是一个典型且优秀的线程池，它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是，在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源。

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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() + " 执行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

4.3. newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池。

如果线程池大小超过处理任务所需要的线程数，就会回收部分空闲的线程；
如果长时间没有往线程池中提交任务，即如果工作线程空闲了指定的时间（默认为 1 分钟），则该工作线程将自动终止。终止后，如果你又提交了新的任务，则线程池重新创建一个工作线程。
此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说 JVM）能够创建的最大线程大小。因此，使用 CachedThreadPool 时，一定要注意控制任务的数量，否则，由于大量线程同时运行，很有会造成系统瘫痪。

示例：

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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() + " 执行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

4.4. newScheduleThreadPool

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

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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() + " 执行");
                }
            }, 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() + " 执行");
                }
            }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

4.5. newWorkStealingPool

Java 8 才引入。

其内部会构建 ForkJoinPool，利用 Work-Stealing 算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

5. 线程池最佳实践

5.1. 计算线程数量

一般多线程执行的任务类型可以分为 CPU 密集型和 I/O 密集型，根据不同的任务类型，我们计算线程数的方法也不一样。

**CPU 密集型任务：**这种任务消耗的主要是 CPU 资源，可以将线程数设置为 N（CPU 核心数）+1，比 CPU 核心数多出来的一个线程是为了防止线程偶发的缺页中断，或者其它原因导致的任务暂停而带来的影响。一旦任务暂停，CPU 就会处于空闲状态，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用 CPU 的空闲时间。

**I/O 密集型任务：**这种任务应用起来，系统会用大部分的时间来处理 I/O 交互，而线程在处理 I/O 的时间段内不会占用 CPU 来处理，这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 I/O 密集型任务的应用中，我们可以多配置一些线程，具体的计算方法是 2N。

5.2. 建议使用有界阻塞队列

不建议使用 Executors 的最重要的原因是：Executors 提供的很多方法默认使用的都是无界的 LinkedBlockingQueue，高负载情境下，无界队列很容易导致 OOM，而 OOM 会导致所有请求都无法处理，这是致命问题。所以强烈建议使用有界队列。

《阿里巴巴 Java 开发手册》中提到，禁止使用这些方法来创建线程池，而应该手动 new ThreadPoolExecutor 来创建线程池。制订这条规则是因为容易导致生产事故，最典型的就是 newFixedThreadPool 和 newCachedThreadPool，可能因为资源耗尽导致 OOM 问题。

【示例】newFixedThreadPool OOM

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ThreadPoolExecutor threadPool = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(1);
printStats(threadPool);
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    threadPool.execute(() -> {
        String payload = IntStream.rangeClosed(1, 1000000)
            .mapToObj(__ -> "a")
            .collect(Collectors.joining("")) + UUID.randomUUID().toString();
        try {
            TimeUnit.HOURS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        log.info(payload);
    });
}

threadPool.shutdown();
threadPool.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);

newFixedThreadPool 使用的工作队列是 LinkedBlockingQueue ，而默认构造方法的 LinkedBlockingQueue 是一个 Integer.MAX_VALUE 长度的队列，可以认为是无界的。如果任务较多并且执行较慢的话，队列可能会快速积压，撑爆内存导致 OOM。

【示例】newCachedThreadPool OOM

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ThreadPoolExecutor threadPool = (ThreadPoolExecutor) Executors.newCachedThreadPool();
printStats(threadPool);
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    threadPool.execute(() -> {
        String payload = UUID.randomUUID().toString();
        try {
            TimeUnit.HOURS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        log.info(payload);
    });
}
threadPool.shutdown();
threadPool.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);

newCachedThreadPool 的最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，可以认为是没有上限的，而其工作队列 SynchronousQueue 是一个没有存储空间的阻塞队列。这意味着，只要有请求到来，就必须找到一条工作线程来处理，如果当前没有空闲的线程就再创建一条新的。

如果大量的任务进来后会创建大量的线程。我们知道线程是需要分配一定的内存空间作为线程栈的，比如 1MB，因此无限制创建线程必然会导致 OOM。

5.3. 重要任务应该自定义拒绝策略

使用有界队列，当任务过多时，线程池会触发执行拒绝策略，线程池默认的拒绝策略会 throw RejectedExecutionException 这是个运行时异常，对于运行时异常编译器并不强制 catch 它，所以开发人员很容易忽略。因此默认拒绝策略要慎重使用。如果线程池处理的任务非常重要，建议自定义自己的拒绝策略；并且在实际工作中，自定义的拒绝策略往往和降级策略配合使用。

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