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线程池详解

什么是线程池

线程池(Thread Pool)是一种基于池化思想管理线程的工具,经常出现在多线程服务器中,如MySQL。

线程过多会带来额外的开销,其中包括创建销毁线程的开销、调度线程的开销等等,同时也降低了计算机的整体性能。线程池维护多个线程,等待监督管理者分配可并发执行的任务。

这种做法,一方面避免了处理任务时创建销毁线程开销的代价,另一方面避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题,保证了对内核的充分利用。

使用线程池可以带来一系列好处:

  • 降低资源消耗:通过池化技术重复利用已创建的线程,降低线程创建和销毁造成的损耗。
  • 提高响应速度:任务到达时,无需等待线程创建即可立即执行。
  • 提高线程的可管理性:线程是稀缺资源,如果无限制创建,不仅会消耗系统资源,还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡,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。
  • 提供更多更强大的功能:线程池具备可拓展性,允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor,就允许任务延期执行或定期执行。

线程池解决了什么问题

线程池解决的核心是:资源管理问题

在并发环境下,系统无法确定在任意时刻,有多少任务需要执行,有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题:

  1. 频繁申请/销毁资源和调度资源,将带来额外的消耗,可能会非常巨大。
  2. 对资源无限申请缺少抑制手段,易引发系统资源耗尽的风险。
  3. 系统无法合理管理内部的资源分布,会降低系统的稳定性。
为解决资源分配这个问题,线程池采用了“池化”(Pooling)思想。池化,顾名思义,是为了最大化收益并最小化风险,而将资源统一在一起管理的一种思想。

“池化”思想不仅仅能应用在计算机领域,在金融、设备、人员管理、工作管理等领域也有相关的应用。
在计算机领域中的表现为:统一管理IT资源,包括服务器、存储、和网络资源等等。通过共享资源,使用户在低投入中获益。除去线程池,还有其他比较典型的几种使用策略包括:

1. 内存池(Memory Pooling):预先申请内存,提升申请内存速度,减少内存碎片。
2. 连接池(Connection Pooling):预先申请数据库连接,提升申请连接的速度,降低系统的开销。
3. 实例池(Object Pooling):循环使用对象,减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。

使用线程池的风险

虽然线程池是构建多线程应用程序的强大机制,但使用它并不是没有风险的。用线程池构建的应用程序容易遭受任何其它多线程应用程序容易遭受的所有并发风险,诸如同步错误和死锁,它还容易遭受特定于线程池的少数其它风险,诸如与池有关的死锁、资源不足和线程泄漏。

死锁

任何多线程应用程序都有死锁风险。当一组进程或线程中的每一个都在等待一个只有该组中另一个进程才能引起的事件时,我们就说这组进程或线程 死锁 了。

死锁的最简单情形是:线程 A 持有对象 X 的独占锁,并且在等待对象 Y 的锁,而线程 B 持有对象 Y 的独占锁,却在等待对象 X 的锁。除非有某种方法来打破对锁的等待(Java 锁定不支持这种方法),否则死锁的线程将永远等下去。

虽然任何多线程程序中都有死锁的风险,但线程池却引入了另一种死锁可能,在那种情况下,所有池线程都在执行已阻塞的等待队列中另一任务的执行结果的任务,但这一任务却因为没有未被占用的线程而不能运行。当线程池被用来实现涉及许多交互对象的模拟,被模拟的对象可以相互发送查询,这些查询接下来作为排队的任务执行,查询对象又同步等待着响应时,会发生这种情况。

资源不足

线程池的一个优点在于:相对于其它替代调度机制而言,它们通常执行得很好。但只有恰当地调整了线程池大小时才是这样的。线程消耗包括内存和其它系统资源在内的大量资源。除了 Thread 对象所需的内存之外,每个线程都需要两个可能很大的执行调用堆栈。除此以外,JVM 可能会为每个 Java 线程创建一个本机线程,这些本机线程将消耗额外的系统资源。最后,虽然线程之间切换的调度开销很小,但如果有很多线程,环境切换也可能严重地影响程序的性能。

如果线程池太大,那么被那些线程消耗的资源可能严重地影响系统性能。在线程之间进行切换将会浪费时间,而且使用超出比您实际需要的线程可能会引起资源匮乏问题,因为池线程正在消耗一些资源,而这些资源可能会被其它任务更有效地利用。除了线程自身所使用的资源以外,服务请求时所做的工作可能需要其它资源,例如 JDBC 连接、套接字或文件。这些也都是有限资源,有太多的并发请求也可能引起失效,例如不能分配 JDBC 连接。

并发错误

线程池和其它排队机制依靠使用 wait()notify() 方法,这两个方法都难于使用。如果编码不正确,那么可能丢失通知,导致线程保持空闲状态,尽管队列中有工作要处理。使用这些方法时,必须格外小心;即便是专家也可能在它们上面出错。而最好使用现有的、已经知道能工作的实现,例如在下面的 无须编写您自己的池中讨论的 util.concurrent 包。

线程泄漏

各种类型的线程池中一个严重的风险是线程泄漏,当从池中除去一个线程以执行一项任务,而在任务完成后该线程却没有返回池时,会发生这种情况。发生线程泄漏的一种情形出现在任务抛出一个 RuntimeException 或一个 Error 时。如果池类没有捕捉到它们,那么线程只会退出而线程池的大小将会永久减少一个。当这种情况发生的次数足够多时,线程池最终就为空,而且系统将停止,因为没有可用的线程来处理任务。

有些任务可能会永远等待某些资源或来自用户的输入,而这些资源又不能保证变得可用,用户可能也已经回家了,诸如此类的任务会永久停止,而这些停止的任务也会引起和线程泄漏同样的问题。如果某个线程被这样一个任务永久地消耗着,那么它实际上就被从池除去了。对于这样的任务,应该要么只给予它们自己的线程,要么只让它们等待有限的时间。

请求过载

仅仅是请求就压垮了服务器,这种情况是可能的。在这种情形下,我们可能不想将每个到来的请求都排队到我们的工作队列,因为排在队列中等待执行的任务可能会消耗太多的系统资源并引起资源缺乏。在这种情形下决定如何做取决于您自己;在某些情况下,您可以简单地抛弃请求,依靠更高级别的协议稍后重试请求,您也可以用一个指出服务器暂时很忙的响应来拒绝请求。

如何创建线程池

构造方法

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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}

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

}

Executors

Executor 框架的工具类 Executors 提供了几种默认的线程池。(方法内部实际上都是调用了ThreadPoolExecutor 的构造方法)

  • FixedThreadPool : 该方法返回一个固定线程数量的线程池。该线程池中的线程数量始终不变。当有一个新的任务提交时,线程池中若有空闲线程,则立即执行。若没有,则新的任务会被暂存在一个任务队列中,待有线程空闲时,便处理在任务队列中的任务。
  • SingleThreadExecutor: 方法返回一个只有一个线程的线程池。若多余一个任务被提交到该线程池,任务会被保存在一个任务队列中,待线程空闲,按先入先出的顺序执行队列中的任务。
  • CachedThreadPool: 该方法返回一个可根据实际情况调整线程数量的线程池。线程池的线程数量不确定,但若有空闲线程可以复用,则会优先使用可复用的线程。若所有线程均在工作,又有新的任务提交,则会创建新的线程处理任务。所有线程在当前任务执行完毕后,将返回线程池进行复用。

《阿里巴巴 Java 开发手册》中强制线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险

Executors 返回线程池对象的弊端如下:

  • FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor : 允许请求的队列长度为 Integer.MAX_VALUE ,可能堆积大量的请求,从而导致 OOM。
  • CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool : 允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE ,可能会创建大量线程,从而导致 OOM。
  • 除了避免 OOM 的原因之外,不推荐使用 Executors 提供的两种快捷的线程池的原因还有:
    1. 实际使用中需要根据自己机器的性能、业务场景来手动配置线程池的参数比如核心线程数、使用的任务队列、饱和策略等等。
    2. 我们应该显示地给我们的线程池命名,这样有助于我们定位问题。

ThreadPoolExecutor 参数解析

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 /**
* 用给定的初始参数创建一个新的ThreadPoolExecutor。
*/
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}

参数解析

  • corePoolSize : 核心线程数线程数定义了最小可以同时运行的线程数量。
  • maximumPoolSize : 当队列中存放的任务达到队列容量的时候,当前可以同时运行的线程数量变为最大线程数。
  • workQueue: 当新任务来的时候会先判断当前运行的线程数量是否达到核心线程数,如果达到的话,新任务就会被存放在队列中。
  • keepAliveTime: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才会被回收销毁;
  • unit : keepAliveTime 参数的时间单位。
  • threadFactory :executor 创建新线程的时候会用到。
  • handler :饱和策略。关于饱和策略下面单独介绍一下。

饱和策略

如果当前同时运行的线程数量达到最大线程数量并且队列也已经被放满了任务时,ThreadPoolTaskExecutor 定义一些策略:

  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy抛出 RejectedExecutionException来拒绝新任务的处理。
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy调用执行自己的线程运行任务,也就是直接在调用execute方法的线程中运行(run)被拒绝的任务,如果执行程序已关闭,则会丢弃该任务。因此这种策略会降低对于新任务提交速度,影响程序的整体性能。如果您的应用程序可以承受此延迟并且你要求任何一个任务请求都要被执行的话,你可以选择这个策略。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 不处理新任务,直接丢弃掉。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 此策略将丢弃最早的未处理的任务请求。

举个例子: Spring 通过 ThreadPoolTaskExecutor 或者我们直接通过 ThreadPoolExecutor 的构造函数创建线程池的时候,当我们不指定 RejectedExecutionHandler 饱和策略的话来配置线程池的时候默认使用的是 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy。在默认情况下,ThreadPoolExecutor 将抛出 RejectedExecutionException 来拒绝新来的任务 ,这代表你将丢失对这个任务的处理。 对于可伸缩的应用程序,建议使用 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy。当最大池被填满时,此策略为我们提供可伸缩队列。

核心设计 & 实现

以下分析基于 JDK 1.8

Java中的线程池核心实现类是ThreadPoolExecutor,首先来看一下ThreadPoolExecutor的UML类图,了解下ThreadPoolExecutor的继承关系。

ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor,顶层接口Executor提供了一种思想:将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程,如何调度线程来执行任务,用户只需提供Runnable对象,将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中,由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分。

ExecutorService接口增加了一些能力:

  1. 扩充执行任务的能力,补充可以为一个或一批异步任务生成Future的方法;
  2. 提供了管控线程池的方法,比如停止线程池的运行。

AbstractExecutorService则是上层的抽象类,将执行任务的流程串联了起来,保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分,ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期,另一方面同时管理线程和任务,使两者良好的结合从而执行并行任务。

ThreadPoolExecutor是如何运行? 如何同时维护线程和执行任务的呢?其运行机制如下图所示:

线程池在内部实际上构建了一个生产者消费者模型,将线程和任务两者解耦,并不直接关联,从而良好的缓冲任务,复用线程。线程池的运行主要分成两部分:任务管理、线程管理。任务管理部分充当生产者的角色,当任务提交后,线程池会判断该任务后续的流转:

  1. 直接申请线程执行该任务;
  2. 缓冲到队列中等待线程执行;
  3. 拒绝该任务。

线程管理部分是消费者,它们被统一维护在线程池内,根据任务请求进行线程的分配,当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行,最终当线程获取不到任务的时候,线程就会被回收。

接下来,我们会按照以下三个部分去详细讲解线程池运行机制:

  1. 线程池如何维护自身状态。
  2. 线程池如何管理任务。
  3. 线程池如何管理线程。

生命周期管理

线程池运行的状态,并不是用户显式设置的,而是伴随着线程池的运行,由内部来维护。线程池内部使用一个变量维护两个值:运行状态(runState)和线程数量 (workerCount)。在具体实现中,线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护放在了一起,如下代码所示:

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private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

ctl这个AtomicInteger类型,是对线程池的运行状态和线程池中有效线程的数量进行控制的一个字段, 它同时包含两部分的信息:线程池的运行状态 (runState) 和线程池内有效线程的数量 (workerCount),高3位保存runState,低29位保存workerCount,两个变量之间互不干扰。

用一个变量去存储两个值,可避免在做相关决策时,出现不一致的情况,不必为了维护两者的一致,而占用锁资源。

通过阅读线程池源代码也可以发现,经常出现要同时判断线程池运行状态和线程数量的情况。线程池也提供了若干方法去供用户获得线程池当前的运行状态、线程个数。这里都使用的是位运算的方式,相比于基本运算,速度也会快很多。

关于内部封装的获取生命周期状态、获取线程池线程数量的计算方法如以下代码所示:

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//计算当前运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//计算当前线程数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
//通过状态和线程数生成ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

ThreadPoolExecutor的运行状态有5种,分别为:

其生命周期转换如下入所示:

任务管理

任务调度

任务调度是线程池的主要入口,当用户提交了一个任务,接下来这个任务将如何执行都是由这个阶段决定的。了解这部分就相当于了解了线程池的核心运行机制。

首先,所有任务的调度都是由execute方法完成的,这部分完成的工作是:检查现在线程池的运行状态、运行线程数、运行策略,决定接下来执行的流程,是直接申请线程执行,或是缓冲到队列中执行,亦或是直接拒绝该任务。其执行过程如下:

  1. 首先检测线程池运行状态,如果不是RUNNING,则直接拒绝,线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
  2. 如果workerCount < corePoolSize,则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

其执行流程如下图所示:

任务缓冲

任务缓冲模块是线程池能够管理任务的核心部分。线程池的本质是对任务和线程的管理,而做到这一点最关键的思想就是将任务和线程两者解耦,不让两者直接关联,才可以做后续的分配工作。线程池中是以生产者消费者模式,通过一个阻塞队列来实现的。阻塞队列缓存任务,工作线程从阻塞队列中获取任务。

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。

下图中展示了线程1往阻塞队列中添加元素,而线程2从阻塞队列中移除元素:

使用不同的队列可以实现不一样的任务存取策略。在这里,我们可以再介绍下阻塞队列的成员:

任务申请

由上文的任务分配部分可知,任务的执行有两种可能:一种是任务直接由新创建的线程执行。另一种是线程从任务队列中获取任务然后执行,执行完任务的空闲线程会再次去从队列中申请任务再去执行。第一种情况仅出现在线程初始创建的时候,第二种是线程获取任务绝大多数的情况。

线程需要从任务缓存模块中不断地取任务执行,帮助线程从阻塞队列中获取任务,实现线程管理模块和任务管理模块之间的通信。这部分策略由getTask方法实现,其执行流程如下图所示:

getTask这部分进行了多次判断,为的是控制线程的数量,使其符合线程池的状态。如果线程池现在不应该持有那么多线程,则会返回null值。工作线程Worker会不断接收新任务去执行,而当工作线程Worker接收不到任务的时候,就会开始被回收。

任务拒绝

任务拒绝模块是线程池的保护部分,线程池有一个最大的容量,当线程池的任务缓存队列已满,并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时,就需要拒绝掉该任务,采取任务拒绝策略,保护线程池。

拒绝策略是一个接口,其设计如下:

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public interface RejectedExecutionHandler {
void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略,也可以选择JDK提供的四种已有拒绝策略,其特点如下:

线程管理

Worker线程

线程池为了掌握线程的状态并维护线程的生命周期,设计了线程池内的工作线程Worker。我们来看一下它的部分代码:

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private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
final Thread thread;//Worker持有的线程
Runnable firstTask;//初始化的任务,可以为null
}

Worker这个工作线程,实现了Runnable接口,并持有一个线程thread,一个初始化的任务firstTask。thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程,可以用来执行任务;firstTask用它来保存传入的第一个任务,这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的,那么线程就会在启动初期立即执行这个任务,也就对应核心线程创建时的情况;如果这个值是null,那么就需要创建一个线程去执行任务列表(workQueue)中的任务,也就是非核心线程的创建。

Worker执行任务的模型如下图所示:

线程池需要管理线程的生命周期,需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用,这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。

Worker是通过继承AQS,使用AQS来实现独占锁这个功能。没有使用可重入锁ReentrantLock,而是使用AQS,为的就是实现不可重入的特性去反应线程现在的执行状态。

  1. lock方法一旦获取了独占锁,表示当前线程正在执行任务中。
  2. 如果正在执行任务,则不应该中断线程。
  3. 如果该线程现在不是独占锁的状态,也就是空闲的状态,说明它没有在处理任务,这时可以对该线程进行中断。
  4. 线程池在执行shutdown方法或tryTerminate方法时会调用interruptIdleWorkers方法来中断空闲的线程,interruptIdleWorkers方法会使用tryLock方法来判断线程池中的线程是否是空闲状态;如果线程是空闲状态则可以安全回收。

在线程回收过程中就使用到了这种特性,回收过程如下图所示:

Worker线程增加

增加线程是通过线程池中的addWorker方法,该方法的功能就是增加一个线程,该方法不考虑线程池是在哪个阶段增加的该线程,这个分配线程的策略是在上个步骤完成的,该步骤仅仅完成增加线程,并使它运行,最后返回是否成功这个结果。addWorker方法有两个参数:firstTask、core。firstTask参数用于指定新增的线程执行的第一个任务,该参数可以为空;core参数为true表示在新增线程时会判断当前活动线程数是否少于corePoolSize,false表示新增线程前需要判断当前活动线程数是否少于maximumPoolSize,其执行流程如下图所示:

Worker线程回收

线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收,线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用,防止这部分线程被JVM回收,当线程池决定哪些线程需要回收时,只需要将其引用消除即可。Worker被创建出来后,就会不断地进行轮询,然后获取任务去执行,核心线程可以无限等待获取任务,非核心线程要限时获取任务。当Worker无法获取到任务,也就是获取的任务为空时,循环会结束,Worker会主动消除自身在线程池内的引用。

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try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
//执行任务
}
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);//获取不到任务时,主动回收自己
}

线程回收的工作是在processWorkerExit方法完成的。

事实上,在这个方法中,将线程引用移出线程池就已经结束了线程销毁的部分。但由于引起线程销毁的可能性有很多,线程池还要判断是什么引发了这次销毁,是否要改变线程池的现阶段状态,是否要根据新状态,重新分配线程。

Worker线程执行任务

在Worker类中的run方法调用了runWorker方法来执行任务,runWorker方法的执行过程如下:

1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务。 2.getTask()方法从阻塞队列中取任务。 3.如果线程池正在停止,那么要保证当前线程是中断状态,否则要保证当前线程不是中断状态。 4.执行任务。 5.如果getTask结果为null则跳出循环,执行processWorkerExit()方法,销毁线程。

执行流程如下图所示:

经典问题

execute() 和 submit()的区别

  1. 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与否。
  2. submit() 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 Futureget()方法来获取返回值,get()方法会阻塞当前线程直到任务完成,而使用 get(long timeout,TimeUnit unit)方法则会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。

线程池的替代方案

业务使用线程池是为了获取并发性,对于获取并发性,是否可以有什么其他的方案呢替代?

如何确定线程池大小

类比于实现世界中的人类通过合作做某件事情,我们可以肯定的一点是线程池大小设置过大或者过小都会有问题,合适的才是最好。

如果我们设置的线程池数量太小的话,如果同一时间有大量任务/请求需要处理,可能会导致大量的请求/任务在任务队列中排队等待执行,甚至会出现任务队列满了之后任务/请求无法处理的情况,或者大量任务堆积在任务队列导致 OOM。这样很明显是有问题的! CPU 根本没有得到充分利用。

但是,如果我们设置线程数量太大,大量线程可能会同时在争取 CPU 资源,这样会导致大量的上下文切换,从而增加线程的执行时间,影响了整体执行效率。

经典回答

有一个简单并且适用面比较广的公式:

  • CPU 密集型任务(N+1): 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(2N): 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。

如何判断是 CPU 密集任务还是 IO 密集任务?

CPU 密集型简单理解就是利用 CPU 计算能力的任务比如你在内存中对大量数据进行排序。单凡涉及到网络读取,文件读取这类都是 IO 密集型,这类任务的特点是 CPU 计算耗费时间相比于等待 IO 操作完成的时间来说很少,大部分时间都花在了等待 IO 操作完成上。

惊艳回答

  • 线程池参数动态化。

具体实现请参考:https://copyfuture.com/blogs-details/20201209214330534lcv0q96xiv8nvv9

线程池被创建后里面有线程吗?如何预热?

线程池被创建后如果没有任务过来,里面是不会有线程的。如果需要预热的话可以调用下面的两个方法:

  • 全部启动 prestartAllCoreThreads
  • 仅启动一个 prestartCoreThread

核心线程数会被回收吗?

核心线程数默认是不会被回收的,如果需要回收核心线程数,需要调用下面的方法:

allowCoreThreadTimeOut(默认为false)

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor 主要用来在给定的延迟后运行任务,或者定期执行任务。 这个在实际项目中基本不会被用到,因为有其他方案选择比如quartz

ScheduledThreadPoolExecutor 使用的任务队列 DelayQueue 封装了一个 PriorityQueuePriorityQueue 会对队列中的任务进行排序,执行所需时间短的放在前面先被执行(ScheduledFutureTasktime 变量小的先执行),如果执行所需时间相同则先提交的任务将被先执行(ScheduledFutureTasksquenceNumber 变量小的先执行)。

ScheduledThreadPoolExecutorTimer 的比较:

  • Timer 对系统时钟的变化敏感,ScheduledThreadPoolExecutor不是;
  • Timer 只有一个执行线程,因此长时间运行的任务可以延迟其他任务。 ScheduledThreadPoolExecutor 可以配置任意数量的线程。 此外,如果你想(通过提供 ThreadFactory),你可以完全控制创建的线程;
  • TimerTask 中抛出的运行时异常会杀死一个线程,从而导致 Timer 死机:-( …即计划任务将不再运行。ScheduledThreadExecutor 不仅捕获运行时异常,还允许您在需要时处理它们(通过重写 afterExecute 方法ThreadPoolExecutor)。抛出异常的任务将被取消,但其他任务将继续运行。

综上,在 JDK1.5 之后,你没有理由再使用 Timer 进行任务调度了。

备注: Quartz 是一个由 java 编写的任务调度库,由 OpenSymphony 组织开源出来。在实际项目开发中使用 Quartz 的还是居多,比较推荐使用 Quartz。因为 Quartz 理论上能够同时对上万个任务进行调度,拥有丰富的功能特性,包括任务调度、任务持久化、可集群化、插件等等。

ScheduledThreadPoolExecutor 的执行主要分为两大部分:

  1. 当调用 ScheduledThreadPoolExecutorscheduleAtFixedRate() 方法或者 scheduleWithFixedDelay() 方法时,会向 ScheduledThreadPoolExecutorDelayQueue 添加一个实现了 RunnableScheduledFuture 接口的 ScheduledFutureTask
  2. 线程池中的线程从 DelayQueue 中获取 ScheduledFutureTask,然后执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor 为了实现周期性的执行任务,对 ThreadPoolExecutor做了如下修改:

  • 使用 DelayQueue 作为任务队列;
  • 获取任务的方不同
  • 执行周期任务后,增加了额外的处理

ScheduledThreadPoolExecutor 执行周期任务的步骤

  1. 线程 1 从 DelayQueue 中获取已到期的 ScheduledFutureTask(DelayQueue.take())。到期任务是指 ScheduledFutureTask的 time 大于等于当前系统的时间;
  2. 线程 1 执行这个 ScheduledFutureTask
  3. 线程 1 修改 ScheduledFutureTask 的 time 变量为下次将要被执行的时间;
  4. 线程 1 把这个修改 time 之后的 ScheduledFutureTask 放回 DelayQueue 中(DelayQueue.add())。