【第十一篇】Java线程池ThreadPoolExecutor使用详解【重点】

1.1 概述

引入线程池的原因

1、减少开销提升效率
  减少线程的创建和销毁所花的时间以及系统资源的开销；
  同时，提高系统响应速度，当有新任务到达时，通过复用已存在的线程，无需等待新线程的创建便可立即执行。
2、提高线程的可管理性
  方便管控线程并发数量。线程无限制的创建，可能会导致内存占用过多，从而产生OOM，并且会造成CPU过度切换，CPU切换线程是有时间成本的：需要保持当前执行线程的现场，并恢复要执行线程的现场。
  对线程进行统一的分配、调优和监控，从而也提高响应速度；提供更强大的功能，延时定时线程池。

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ExecutorService（ThreadPoolExecutor的顶层接口）使用线程池中的线程执行每个提交的任务，通常我们使用Executors的工厂方法来创建ExecutorService。

Executors类的底层实现便是ThreadPoolExecutor！ Executors 工厂方法有：

Executors.newCachedThreadPool()：无界线程池，可以进行自动线程回收
Executors.newFixedThreadPool(int)：固定大小线程池
Executors.newSingleThreadExecutor()：单个后台线程

它们均为大多数使用场景预定义了设置。不过在阿里java开发规范文档中说明，尽量不要用该类创建线程池。

1.2 ThreadPoolExecutor类讲解

1.2.1 线程池状态：

五种状态：

线程池的状态说明
RUNNING允许提交并处理任务
SHUTDOWN不允许提交新的任务，但是会处理完已提交的任务
STOP不允许提交新的任务，也不会处理阻塞队列中未执行的任务，并设置正在执行的线程的中断标志位
TIDYING所有任务执行完毕，池中工作的线程数为0，等待执行terminated()勾子方法
TERMINATEDterminated()勾子方法执行完毕
  • 线程池的shutdown() 方法，将线程池由 RUNNING（运行状态）转换为 SHUTDOWN状态
  • 线程池的shutdownNow()方法，将线程池由RUNNING 或 SHUTDOWN 状态转换为 STOP 状态。

注：SHUTDOWN 状态 和 STOP 状态 先会转变为 TIDYING 状态，最终都会变为 TERMINATED

1.2.2 ThreadPoolExecutor构造函数

ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService，而AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口。

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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

1.2.3 线程池工作原理

1.2.3.1 corePoolSize 、maximumPoolSize 、workQueue
  • corePoolSize ：线程池中核心线程数的最大值
  • maximumPoolSize ：线程池中能拥有最多线程数
  • workQueue：用于缓存任务的阻塞队列

当调用线程池execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：

1、如果有空闲线程，则直接执行该任务；
2、如果没有空闲线程，且当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新的线程执行该任务；
3、如果没有空闲线程，且当前的线程数等于corePoolSize，同时阻塞队列未满，则将任务入队列，而不添加新的线程；
4、如果没有空闲线程，且阻塞队列已满，同时池中的线程数小于maximumPoolSize ，则创建新的线程执行任务；
5、如果没有空闲线程，且阻塞队列已满，同时池中的线程数等于maximumPoolSize ，则根据构造函数中的 handler 指定的策略来拒绝新的任务。
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1.2.3.2 KeepAliveTime：
  • keepAliveTime ：表示空闲线程的存活时间
  • TimeUnit unit ：表示keepAliveTime的单位

当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

注：如果线程池设置了allowCoreThreadTimeout参数为true（默认false），那么当空闲线程超过keepaliveTime后直接停掉。（不会判断线程数是否大于corePoolSize）即：最终线程数会变为0。

1.2.3.3 workQueue 任务队列：
  • workQueue ：它决定了缓存任务的排队策略

ThreadPoolExecutor线程池推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue 、LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

1.2.3.3.1 有界队列：
  • 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。
  • ArrayBlockingQueue：一个由数组支持的有界阻塞队列。此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。一旦创建了这样的缓存区，就不能再增加其容量。试图向已满队列中放入元素会导致操作受阻塞；试图从空队列中提取元素将导致类似阻塞。
1.2.3.3.2 无界队列：
  • LinkedBlockingQueue：基于链表结构的无界阻塞队列，它可以指定容量也可以不指定容量（实际上任何无限容量的队列/栈都是有容量的，这个容量就是Integer.MAX_VALUE）
  • PriorityBlockingQueue：是一个按照优先级进行内部元素排序的无界阻塞队列。队列中的元素必须实现 Comparable 接口，这样才能通过实现compareTo()方法进行排序。优先级最高的元素将始终排在队列的头部；PriorityBlockingQueue 不会保证优先级一样的元素的排序。

注意：keepAliveTime和maximumPoolSize及BlockingQueue的类型均有关系。如果BlockingQueue是无界的，那么永远不会触发maximumPoolSize，自然keepAliveTime也就没有了意义。

1.2.3.4 threadFactory
  • threadFactory ：指定创建线程的工厂。（可以不指定）

如果不指定线程工厂时，ThreadPoolExecutor 会使用ThreadPoolExecutor.defaultThreadFactory 创建线程。默认工厂创建的线程：同属于相同的线程组，具有同为 Thread.NORM_PRIORITY 的优先级，以及名为 “pool-XXX-thread-” 的线程名（XXX为创建线程时顺序序号），且创建的线程都是非守护进程。

1.2.3.5 handler 拒绝策略：
  • handler ：表示当 workQueue 已满，且池中的线程数达到 maximumPoolSize 时，线程池拒绝添加新任务时采取的策略。（可以不指定）
策略解释
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()抛出RejectedExecutionException异常。默认策略
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()由向线程池提交任务的线程来执行该任务
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()抛弃当前的任务
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()抛弃最旧的任务（最先提交而没有得到执行的任务）

最科学的的还是 AbortPolicy 提供的处理方式：抛出异常，由开发人员进行处理。

1.2.4 常用方法：

除了在创建线程池时指定上述参数的值外，还可在线程池创建以后通过如下方法进行设置。
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此外，还有一些方法：

getCorePoolSize()：返回线程池的核心线程数，这个值是一直不变的，返回在构造函数中设置的coreSize大小；
getMaximumPoolSize()：返回线程池的最大线程数，这个值是一直不变的，返回在构造函数中设置的coreSize大小；
getLargestPoolSize()：记录了曾经出现的最大线程个数（水位线）；
getPoolSize()：线程池中当前线程的数量；
getActiveCount()：Returns the approximate（近似） number of threads that are actively executing tasks；
prestartAllCoreThreads()：会启动所有核心线程，无论是否有待执行的任务，线程池都会创建新的线程，直到池中线程数量达到 corePoolSize；
prestartCoreThread()：会启动一个核心线程（同上）；
allowCoreThreadTimeOut(true)：允许核心线程在KeepAliveTime时间后，退出；

1.2.5 如何确定线程池中线程数量

IO密集型=常出现于线程中：数据库数据交互、文件上传下载、网络数据传输等等

计算密集型=常出现于线程中：复杂算法
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