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    聊聊并发(三)Java线程池的分析和使用

    作者:方腾飞 原文发表于infoQ:http://www.infoq.com/cn/articles/java-threadPool

    1.??? 引言

    合理利用线程池能够带来三个好处。第一: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。第二: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。第三: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.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输入几个参数:

    • corePoolSize(线程池的基本大?。旱碧峤灰桓鋈挝竦较叱坛厥?,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prestartAllCoreThreads方法,线程池会提前创建并启动所有基本线程。
    • runnableTaskQueue(任务队列):用于保存等待执行的任务的阻塞队列??梢匝≡褚韵录父鲎枞恿?。
    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: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,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
    4. PriorityBlockingQueue:一个具有优先级得无限阻塞队列。
    • maximumPoolSize(线程池最大大?。合叱坛卦市泶唇ǖ淖畲笙叱淌?。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。
    • 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,Debug和定位问题时非常又帮助。

    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。以下是JDK1.5提供的四种策略。n? AbortPolicy:直接抛出异常。

    1. CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。
    2. DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。
    3. DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。
    4. 当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler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,并且每个任务执行的时间比较短,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, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

    向线程池提交任务

    我们可以使用execute提交的任务,但是execute方法没有返回值,所以无法判断任务知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。

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

    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。

    try {
    
    Object s = future.get();
    
    } catch (InterruptedException e) {
    
    // 处理中断异常
    
    } catch (ExecutionException e) {
    
    // 处理无法执行任务异常
    
    } 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shutdownNow。

    3.??? 线程池的分析

    流程分析:线程池的主要工作流程如下图:

    Java线程池主要工作流程

    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,则进入下个流程。
    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的线程池的工作原理,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,就必须首先分析任务特性,可以从以下几个角度来进行分析:

    1. 任务的性质:CPU密集型任务,IO密集型任务和混合型任务。
    2. 任务的优先级:高,中和低。
    3. 任务的执行时间:长,中和短。
    4. 任务的依赖性:是否依赖其他系统资源,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密集型任务则由于需要等待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?;旌闲偷娜挝?,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,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,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()方法获得当前设备的CPU个数。

    优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它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,那么优先级低的任务可能永远不能执行。

    执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者也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?;郝?,因为后台任务线程池里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,但是出现这样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:

    <b>protected</b> <b>void</b> beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

    6.??? 参考资料

    • Java并发编程实战。
    • JDK1.6源码。

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – www.gofansmi6.com本文链接地址: 聊聊并发(三)Java线程池的分析和使用


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      • nicky
      • 2013/01/27 10:18上午

      你好,看了你的文章,有2点疑问
      1 一个线程是不是只做一个任务?

      2 电脑是双核的, 那不是最多只能同时处理2个线程吗?如何能够同时处理多个线程呢?

      • 1:一个线程做完一个任务再做另外一个。
        2:如果是不支持超线程的CPU,在同一时刻的确只能处理2个线程,但是并不意味着双核的CPU只能处理两个线程,它可以通过切换上下文来执行多个线程。比如我只有一个大脑,但是我要处理5个人提交的任务,我可以处理完A的事情后,把事情的中间结果保存下,然后再处理B的,然后再读取A的中间结果,处理A的事情。

      • nicky
      • 2013/01/30 2:50下午

      你好呀,看了你前面的关于介绍synchronized方面的文章,对自己写的一个使用多线程下载的有点晕,
      Pool <—— Task(Runnable) <—- void run(synchronized(this){ downLoadService(webUrl,savePath)})
      而在调用的过程中采用是
      for(….)
      {
      pool.execute(new Task(arg1 ,arg2));
      }
      在这个过程中使用synchroinzed方法有效么,当时也是老大催的紧,没时间细想,现在正在看这部分代码,越看越觉得有问题,所以问下。。
      (ps: 怎么评论的时候不能上传图片啊。。。)

        • niubist
        • 2019/06/03 4:25下午

        (synchronized(this))
        pool.execute(new Task(arg1 ,arg2));
        每次提交任务都会生成一个对象(new Task()),所以每个this都是不一样的,所以没用,无效

    1. 如果是在线程池的任务里,试用同步没有什么效果的,因为只有一个线程会执行当前任务。

      • icecode
      • 2013/03/14 3:56下午

      “需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级高的任务可能永远不能执行” 这句话应该是错的吧, 应该是“优先级低的任务可能永远不能执行”

      • dk
      • 2013/03/19 7:46上午

      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,Debug和定位问题时非常又帮助。
      上面是在“创建一个线程池需要输入几个参数”中介绍的,但是没有发现ThreadFactory是哪个地方出现的参数。

      • 是我写得有遗漏,已经修正,多谢了。ThreadPoolExecutor有这样的构造方法,在RejectedExecutionHandler前面可以传递java.util.concurrent.ThreadFactory

        ThreadPoolExecutor(int, int, long, java.util.concurrent.TimeUnit, java.util.concurrent.BlockingQueue, java.util.concurrent.ThreadFactory, java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler)

      • play404
      • 2013/09/21 2:44上午

      hao!

    2. 一个小问题,一个线程池中执行不同种类并且不相关的任务,是不是一个好的设计?

      • 看应用场景的。如果任务数很少,又对任务没有执行速度要求,可以放在一个线程池里。

      • real
      • 2014/05/08 12:14下午

      线程池的配置大小是基本线程池大小还是最大线程池大小呢

    3. 创建线程池的代码
      new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize,keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);
      其中的milliseconds应该为timeUnit

      • 大巴气
      • 2015/02/16 9:37上午

      keepAliveTime这个参数有点含糊不清,应该说的再清楚一点。
      例如:超出队列时创建线程(当然必须小于maximumPoolSize)运行任务后,如果再没有其它任务可运行也就空闲(线程池不在提交任务和队列中的任务已经被corePoolSize的线程执行完成),空闲超出这个参数时间线程结束(理解为销毁)。

      while (task != null || (task = getTask()) != null) { 线程调用getTask()进行阻塞。

      private Runnable getTask() {
      boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

      retry:
      for (;;) {
      int c = ctl.get();
      int rs = runStateOf(c);

      // Check if queue empty only if necessary.
      if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
      decrementWorkerCount();
      return null;
      }

      boolean timed; // Are workers subject to culling?

      for (;;) {
      int wc = workerCountOf(c);
      timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

      if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed)) // 2.因为timeOut=true,timed=true,条件不成立
      break;
      if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
      return null; // 返回null,线程结束
      c = ctl.get(); // Re-read ctl
      if (runStateOf(c) != rs)
      continue retry;
      // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
      }

      try {
      Runnable r = timed ?
      workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : // 注意这里的poll和take的区别
      workQueue.take();
      if (r != null)
      return r;
      timedOut = true; // 1. poll在指定的时间内取不到,这timeOut=true
      } catch (InterruptedException retry) {
      timedOut = false;
      }
      }
      }

      • yankang
      • 2015/04/24 5:13下午

      可能是jdk版本不同(我的openjdk1.7),我看到的源码和您的有些不一样(如下), 有一个问题想请教下: 既然worker 每次都执行一个任务, 这里为啥要:w.lock()/unlock()?多谢啦
      final void runWorker(Worker w) {
      Runnable task = w.firstTask;
      w.firstTask = null;
      boolean completedAbruptly = true;
      try {
      while (task != null || (task = getTask()) != null) {
      w.lock();
      clearInterruptsForTaskRun();
      try {
      beforeExecute(w.thread, task);
      Throwable thrown = null;
      try {
      task.run();
      } catch (RuntimeException x) {
      thrown = x; throw x;
      } catch (Error x) {
      thrown = x; throw x;
      } catch (Throwable x) {
      thrown = x; throw new Error(x);
      } finally {
      afterExecute(task, thrown);
      }
      } finally {
      task = null;
      w.completedTasks++;
      w.unlock();
      }
      }
      completedAbruptly = false;
      } finally {
      processWorkerExit(w, completedAbruptly);
      }
      }

      • playersfk
      • 2015/09/02 10:14上午

      请问一下,如果我的任务需要强调逻辑先后顺序,但是加入线程池中可能有先后顺序的任务放到了多个线程执行,就会导致顺序不一致,是不是就不能使用线程池。有没有什么好的方式来做?

      • zming
      • 2016/08/12 11:04上午

      您好,我想请问一下,ExecutorService 线程池可以不用关闭线程的吗?之前问过一个前辈说是线程池可以自动管理线程,不需要手动关闭,查过资料又说是要关闭的,所以这个感觉很矛盾,望能解惑。

      • 整个程序在运行时,并且你还需要使用线程池完成任务就可以不用关闭,但是在关闭程序前,建议关闭线程池。

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