Java并发-线程池的原理及使用

【转载】- 本文摘自《Java并发编程的艺术-方腾飞》

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有的异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发中，合理地使用线程池能够带来3个好处

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，如果无限制地创建，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分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

1. 线程池的原理

当向线程池提交一个任务之后，线程池是如何处理这个任务的呢？本节来看一下线程池的主要处理流程，处理流程图如下图所示

线程池的主要处理流程

线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程
线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图

ThreadPooIExecutor执行execute方法分下面4种情况。

如果当前运行的线程少于corePooISize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果运行的线程等于或多于corePooISize，则将任务加入BlockingQueue。
如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPooISize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPooIExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPooIExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePooISize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

源码分析：上面的流程分析让我们很直观地了解了线程池的工作原理，让我们再通过源代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(runState != RUNNING || poolSize == 0)
                ensureQueuedTaskHandled(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 Rej ectedExecutionException异常
        reject(command);
    }
}

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，还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的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);
    }
}

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图如下所示：

线程池中的线程执行任务分两种情况，如下

在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
这个线程执行完上图中1的任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行

2. 线程池的使用

2.1 线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池

1	new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize,keepAliveTime,TimeUnit, BlockingQueue<Runnable>,ThreadFactory,RejectedExecutionHandler)

创建线程池时需要输入几个参数，如下：

1. `corePooISize`(线程池的基本大小）：

当提交一个任务到线程池时，线程池会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基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAIICoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

2. `maximumPooISize`(线程池最大数量）：

线程池允许创建的最大线程数。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。

3. `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，并且每个执行任务的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率

4. `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( MNUTES)、毫秒(MIIIISECONDS)、微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）和纳秒(NANOSECONDS，千分之一微秒)

5. `BlockingQueue`（任务队列）：

用来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: 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
LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法 Executots.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移出操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executor.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列

6. `ThreadFactory`：(用于设置创建线程的工厂)

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。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下：

1	new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

7. `RejectedExecutionHandler`（饱和策略）：

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。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK1.5中Java线程池框架提供了4种策略
1.AbortPolicy：直接抛出异常。
2.CallerRunsPolicy：只用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。

2.2 向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别是execute()和submit()方法

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功，可以通过以下代码可知execute()方法输入的是一个Runnable类的实例

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

sublime()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程知道任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会一直阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

2.3 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的原理是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成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，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。至于我们应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，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shutdokwnNow

其他链接

聊聊并发(三) Java线程池的分析与使用

1. 线程池的原理

2. 线程池的使用

2.1 线程池的创建

1. corePooISize(线程池的基本大小）：

2. maximumPooISize(线程池最大数量）：

3. keepAliveTime(线程活动保持时间)：

4. TimeUnit(线程活动保持时间的单位)：

5. BlockingQueue（任务队列）：

6. ThreadFactory：(用于设置创建线程的工厂)

7. RejectedExecutionHandler（饱和策略）：