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JAVA线程11

由 こ雲淡風輕ζ 提交于 2019-12-05 17:44:29

一、概述

1. new Thread的弊端

（1）每次new Thread新建对象性能差。
（2）线程缺乏统一管理，可能无限制新建线程，相互之间竞争，及可能占用过多系统资源导致死机或oom（内存溢出）。
（3）缺乏更多功能，如定时执行、定期执行、线程中断。

2. 线程池

线程池是指管理同一组同构工作线程的资源池，线程池是与工作队列(Work Queue)密切相关的，其中在工作队列中保存了所有等待执行的任务。工作线程(Worker Thread)的任务很简单：从工作队列中获取一个任务，执行任务，然后返回线程池并等待下一个任务。

3. 线程池的组成

一个线程池包括以下四个基本组成部分：
（1）线程池管理器（ThreadPool）：用于创建并管理线程池，包括 创建线程池，销毁线程池，添加新任务；
（2）工作线程（PoolWorker）：线程池中线程，在没有任务时处于等待状态，可以循环的执行任务；
（3）任务接口（Task）：每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度任务的执行，它主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工作，任务的执行状态等；
（4）任务队列（taskQueue）：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

4. 什么时候适合使用线程池

在多线程应用中，如果大量的资源都耗费在创建和销毁线程上，那么可以使用线程池。

5. 合理利用线程池带来的好处

（1）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。
（2）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。
（3）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。

6. 线程池原理

线程池的基本思想还是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多（未死亡）的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

二、JAVA线程池

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：

1. newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程；若有了新任务但线程池无空闲线程，则新建线程。示例代码如下： 
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    try {
        Thread.sleep(index * 1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(index);
        }
    });
}
//关闭线程池 
cachedThreadPool.shutdown();
线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

2. newFixedThreadPool

创建一个固定大小的线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下： 
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}
//关闭线程池 
fixedThreadPool.shutdown();
因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考PreloadDataCache。

3. newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下： 
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}
//关闭线程池 
singleThreadExecutor.shutdown();
结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。

问：如何实现线程死掉后重新启动？
答：可以使用单线程池newSingleThreadExecutor。在线程死掉后，可以立即创建一个线程作为替补。

4. newScheduledThreadPool

创建一个调度线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下： 
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 3 seconds");
    }
}, 3, TimeUnit.SECONDS);
//表示延迟3秒执行。
 
//定期执行示例代码如下：
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
    }
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
//表示延迟1秒后每3秒执行一次。

//关闭线程池 
scheduledThreadPool.shutdown();
ScheduledExecutorService比Timer更安全，功能更强大。
ScheduledExecutorService不能定义某个时间点执行任务，可以通过date.getTime()-System.currentTimeMillis()计算得出。

三、自定义线程池

自定义连接池稍微麻烦些，不过通过创建的ThreadPoolExecutor线程池对象，可以获取到当前线程池的尺寸、正在执行任务的线程数、工作队列等进行线程池监控。

1. 线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池， 创建自定义线程池的构造方法很多，如：  
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)

参数说明：

corePoolSize：池中所保存的线程数，包括空闲线程。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。

maximumPoolSize：线程池允许创建的最大线程数。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。

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。

unit：keepAliveTime 参数的时间单位。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)。 

workQueue：执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由 execute 方法提交的 Runnable 任务。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 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 （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。 
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。 
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

2. 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 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。 
Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
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();
}

3. 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，它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。但是它们存在一定的区别，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，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。

四、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特性，可以从以下几个角度来进行分析：
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。


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小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于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。混合型的任务，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变得非常缓慢，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。

五、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+ 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： 

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }


六、参考资料

http://www.trinea.cn/android/java-android-thread-pool/
http://www.infoq.com/cn/articles/java-threadPool
标签
线程池
线程数
优先级队列
线程阻塞
android线程
shutdown
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