Java 中的线程池

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分配、调优和监控。但是要做到合理利用线程池，必须对其原理了如指掌。

线程池的实现原理

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？

1. 线程池判断核心线程池里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。如果核心线程池里面的线程都在执行任务，则进入下一个流程。

2. 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，则进入下一个流程。

3. 线程池判断线程池中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 方法分下面四种情况。

1. 如果当前运行的线程少于 corePoolSize，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）。

2. 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize, 则将任务加入到 BlockingQueue。

3. 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）。

4. 如果创建的新线程将使当前线程超出 maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用 RejectedExecutorHandler.rejectedExecution () 方法。

ThreadPoolExecutor 采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行 execute () 方法时，尽可能的避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在 ThreadPoolExecutor 完成预热之后（当前运行的线程数大于等于 corePoolSize），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：线程池执行任务的方法如下：

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
      
        int c = ctl.get();
        //如果线程数小于核心线程数，则闯进线程并执行当前任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        //如果线程数大于等于核心线程数或创建线程失败，则将当前任务放到工作队列中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //抛出RejectedExcutionException异常
        else if (!addWorker(command, false))
            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 () 方法里面看到这点。

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, 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);
        }
    }

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。

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

1.corePoolSize（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，即使其它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，线程池将会创建并启动所有基本线程。

2.workQueue（任务队列）：用于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，此队列按照 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 Executors.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外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 Executors.newCachedThreadPool 使用了这个队列。
• PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无线阻塞队列

maximumPoolSize（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，并且已经创建的线程数小于最大 x 线程数，则线程池会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了。

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。

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。这个策略默认是 AbortPolicy，表示无法处理新任务时，抛出异常。java 线程池提供了以下四种策略：

• AbortPolicy：直接抛出异常
• CallerRunsPolicy：主线程执行这个任务
• DiscardOldestPolicy: 丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
• DiscardPolicy：不处理，丢弃调。

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存储不能处理的任务。

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，并且每个任务的执行时间很短，可以调大时间，提高线程的利用率。

TimeUnit（线程活动保存的时间单位）：可先的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒（MILLISECONDS），微妙（MICROSECONDS），和纳秒（NANOSECONDS）。

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，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
      }
}

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 future 的 get () 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。

Future<Object> feature = executor.submit(task);
               try{
                   Object s = feature.get();
               }catch(InterruptedException e){
                //todo 处理中断异常
               }finally{
                //关闭线程池
                executor.shutdown();
               }

关闭线程池

可以通过调用线程池的 shutdown 或 shutdownNow 方法来关闭线程池。他们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。但是他们存在一定的区别，shutdownNow 首先将线程池的状态设置成 stop，然后尝试停止所有正在执行或暂停任务的线程，并返回等待任务执行的列表，而 shutdown 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。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，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 方法就会返回 true。至于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 方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用 shutdownNow 方法。

合理配置线程池

要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务的特性，可以从以下几个角度来分析。

• 任务的性质：CPU 密集型任务，IO 密集型任务和混合型任务。
• 任务的优先级：高，中和低
• 任务的执行时间：长，中和短
• 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU 密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置 Ncpu+1 个线程的线程池。由于 IO 密集型任务的线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如 2*Ncpu。混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个 CPU 密集型和一个 IO 密集型任务，只要这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。

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执行。

线程池的监控

• taskCount：线程池需要执行的任务数量
• completedTaskCount: 线程池里曾经创建过得最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
• getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所有这个大小只增不减。
• getActiveCount: 获取活动线程数。

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的 beforeExecute, afterExecute 和 terminated 方法，也可以在任务执行前，执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。