Java線程池的分析和使用
1. 引言
合理利用線程池能夠帶來三個好處。第一：降低資源消耗。通過重復利用已創建的線程降低線程創建和銷毀造成的消耗。第二：提高響應速度。當任務到達 時，任務可以不需要的等到線程創建就能立即執行。第三：提高線程的可管理性。線程是稀缺資源，如果無限制的創建，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定 性，使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控。但是要做到合理的利用線程池，必須對其原理了如指掌。
2.線程池的使用
線程池的創建
我們可以通過ThreadPoolExecutor來創建一個線程池。
new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);
創建一個線程池需要輸入幾個參數：
- corePoolSize（線程池的基本大小）：當提交一個任務到線程池時，線程池會創建一個線程來執行任務，即使其他空閑的基本線程能夠執行新 任務也會創建線程，等到需要執行的任務數大於線程池基本大小時就不再創建。如果調用了線程池的prestartAllCoreThreads方法，線程池 會提前創建並啟動所有基本線程。
- runnableTaskQueue（任務隊列）：用於保存等待執行的任務的阻塞隊列。可以選擇以下幾個阻塞隊列。
- ArrayBlockingQueue：是一個基於數組結構的有界阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
- LinkedBlockingQueue：一個基於鏈表結構的阻塞隊列，此隊列按FIFO （先進先出） 排序元素，吞吐量通常要高於ArrayBlockingQueue。靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。
- SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，吞 吐量通常要高於LinkedBlockingQueue，靜態工廠方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個隊列。
- PriorityBlockingQueue：一個具有優先級得無限阻塞隊列。
- maximumPoolSize（線程池最大大小）：線程池允許創建的最大線程數。如果隊列滿了，並且已創建的線程數小於最大線程數，則線程池會再創建新的線程執行任務。值得註意的是如果使用了無界的任務隊列這個參數就沒什麽效果。
- ThreadFactory：用於設置創建線程的工廠，可以通過線程工廠給每個創建出來的線程設置更有意義的名字，Debug和定位問題時非常又幫助。
RejectedExecutionHandler（飽和策略）：當隊列和線程池都滿了，說明線程池處於飽和狀態，那麽必須采取一種策略處理提交的 新任務。這個策略默認情況下是AbortPolicy，表示無法處理新任務時拋出異常。以下是JDK1.5提供的四種策略。n AbortPolicy：直接拋出異常。
- CallerRunsPolicy：只用調用者所在線程來運行任務。
- DiscardOldestPolicy：丟棄隊列裏最近的一個任務，並執行當前任務。
- DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。
- 當然也可以根據應用場景需要來實現RejectedExecutionHandler接口自定義策略。如記錄日誌或持久化不能處理的任務。
- keepAliveTime（線程活動保持時間）：線程池的工作線程空閑後，保持存活的時間。所以如果任務很多，並且每個任務執行的時間比較短，可以調大這個時間，提高線程的利用率。
- TimeUnit（線程活動保持時間的單位）：可選的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鐘（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
向線程池提交任務
我們可以使用execute提交的任務，但是execute方法沒有返回值，所以無法判斷任務知否被線程池執行成功。通過以下代碼可知execute方法輸入的任務是一個Runnable類的實例。
threadsPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
}
});
我們也可以使用submit 方法來提交任務，它會返回一個future,那麽我們可以通過這個future來判斷任務是否執行成功，通過 future的get方法來獲取返回值，get方法會阻塞住直到任務完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法則會阻塞一段時間後立即返回，這時有可能任務沒有執行完。
try {
Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
// 處理中斷異常
} catch (ExecutionException e) {
// 處理無法執行任務異常
} finally {
// 關閉線程池
executor.shutdown();
}
線程池的關閉
我們可以通過調用線程池的shutdown或shutdownNow方法來關閉線程池，但是它們的實現原理不同，shutdown的原理是只是將線 程池的狀態設置成SHUTDOWN狀態，然後中斷所有沒有正在執行任務的線程。shutdownNow的原理是遍歷線程池中的工作線程，然後逐個調用線程 的interrupt方法來中斷線程，所以無法響應中斷的任務可能永遠無法終止。shutdownNow會首先將線程池的狀態設置成STOP，然後嘗試停 止所有的正在執行或暫停任務的線程，並返回等待執行任務的列表。
只要調用了這兩個關閉方法的其中一個，isShutdown方法就會返回true。當所有的任務都已關閉後,才表示線程池關閉成功，這時調用 isTerminaed方法會返回true。至於我們應該調用哪一種方法來關閉線程池，應該由提交到線程池的任務特性決定，通常調用shutdown來關 閉線程池，如果任務不一定要執行完，則可以調用shutdownNow。
3. 線程池的分析
流程分析：線程池的主要工作流程如下圖：
從上圖我們可以看出，當提交一個新任務到線程池時，線程池的處理流程如下：
- 首先線程池判斷基本線程池是否已滿？沒滿，創建一個工作線程來執行任務。滿了，則進入下個流程。
- 其次線程池判斷工作隊列是否已滿？沒滿，則將新提交的任務存儲在工作隊列裏。滿了，則進入下個流程。
- 最後線程池判斷整個線程池是否已滿？沒滿，則創建一個新的工作線程來執行任務，滿了，則交給飽和策略來處理這個任務。
源碼分析。上面的流程分析讓我們很直觀的了解的線程池的工作原理，讓我們再通過源代碼來看看是如何實現的。線程池執行任務的方法如下：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//如果線程數小於基本線程數，則創建線程並執行當前任務
if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
//如線程數大於等於基本線程數或線程創建失敗，則將當前任務放到工作隊列中。
if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
ensureQueuedTaskHandled(command);
}
//如果線程池不處於運行中或任務無法放入隊列，並且當前線程數量小於最大允許的線程數量，則創建一個線程執行任務。
else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
//拋出RejectedExecutionException異常
reject(command); // is shutdown or saturated
}
}
工作線程。線程池創建線程時，會將線程封裝成工作線程Worker，Worker在執行完任務後，還會無限循環獲取工作隊列裏的任務來執行。我們可以從Worker的run方法裏看到這點：
public void run() {
try {
Runnable task = firstTask;
firstTask = null;
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
runTask(task);
task = null;
}
} finally {
workerDone(this);
}
}
4. 合理的配置線程池
要想合理的配置線程池，就必須首先分析任務特性，可以從以下幾個角度來進行分析：
- 任務的性質：CPU密集型任務，IO密集型任務和混合型任務。
- 任務的優先級：高，中和低。
- 任務的執行時間：長，中和短。
- 任務的依賴性：是否依賴其他系統資源，如數據庫連接。
任務性質不同的任務可以用不同規模的線程池分開處理。CPU密集型任務配置盡可能少的線程數量，如配置Ncpu+1個線程的線程池。IO密集型任務則由於需要等待IO操作，線程並不是一直在執行任務，則配置盡可能多的線程，如2*Ncpu。 混合型的任務，如果可以拆分，則將其拆分成一個CPU密集型任務和一個IO密集型任務，只要這兩個任務執行的時間相差不是太大，那麽分解後執行的吞吐率要 高於串行執行的吞吐率，如果這兩個任務執行時間相差太大，則沒必要進行分解。我們可以通過 Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法獲得當前設備的CPU個數。
優先級不同的任務可以使用優先級隊列PriorityBlockingQueue來處理。它可以讓優先級高的任務先得到執行，需要註意的是如果一直有優先級高的任務提交到隊列裏，那麽優先級低的任務可能永遠不能執行。
執行時間不同的任務可以交給不同規模的線程池來處理，或者也可以使用優先級隊列，讓執行時間短的任務先執行。
依賴數據庫連接池的任務，因為線程提交SQL後需要等待數據庫返回結果，如果等待的時間越長CPU空閑時間就越長，那麽線程數應該設置越大，這樣才能更好的利用CPU。
建議使用有界隊列，有界隊列能增加系統的穩定性和預警能力，可以根據需要設大一點，比如幾千。有一次我們組使用的後臺任務線程池的隊 列和線程池全滿了，不斷的拋出拋棄任務的異常，通過排查發現是數據庫出現了問題，導致執行SQL變得非常緩慢，因為後臺任務線程池裏的任務全是需要向數據 庫查詢和插入數據的，所以導致線程池裏的工作線程全部阻塞住，任務積壓在線程池裏。如果當時我們設置成無界隊列，線程池的隊列就會越來越多，有可能會撐滿 內存，導致整個系統不可用，而不只是後臺任務出現問題。當然我們的系統所有的任務是用的單獨的服務器部署的，而我們使用不同規模的線程池跑不同類型的任 務，但是出現這樣問題時也會影響到其他任務。
5. 線程池的監控
通過線程池提供的參數進行監控。線程池裏有一些屬性在監控線程池的時候可以使用
- taskCount：線程池需要執行的任務數量。
- completedTaskCount：線程池在運行過程中已完成的任務數量。小於或等於taskCount。
- largestPoolSize：線程池曾經創建過的最大線程數量。通過這個數據可以知道線程池是否滿過。如等於線程池的最大大小，則表示線程池曾經滿了。
- getPoolSize:線程池的線程數量。如果線程池不銷毀的話，池裏的線程不會自動銷毀，所以這個大小只增不減。
- getActiveCount：獲取活動的線程數。
通過擴展線程池進行監控。通過繼承線程池並重寫線程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，我們可以在任務執行前，執行後和線程池關閉前幹一些事情。如監控任務的平均執行時間，最大執行時間和最小執行時間等。這幾個方法在線程池裏是空方法。如：
<b>protected</b> <b>void</b> beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
6. 參考資料
- Java並發編程實戰。
- JDK1.6源碼。
Java線程池的分析和使用