多線程與線程池結構圖

前言

Java中線程池是運用最多的併發框架，幾乎所有併發的程序都可以使用線程池來完成。阿里的Java開發手冊中明確指出：

線程資源必須通過線程池提供，不允許在應用中自行顯示創建線程。

在實際的生產環境中，線程的數量必須得到控制，盲目的大量創建線程對系統性能是有傷害的，合理使用線程好處：

• 減少在創建和銷燬現場上所消耗的時間和系統資源
• 提高響應速度，無需創建可以直接運行
• 提高線程的可管理性。使用線程池可以進行統一分配，調優和監控，但是要做到合理利用線程池，必須對其原理了如指掌。

線程池工作原理

創建線程池

JDK內部已經提供了Executors類，它扮演者線程池工廠的角色，通過它可以取得擁有特定功能的線程池，但是我們最好手動創建線程池。原因如下：

1. Executors內部也是直接構造線程池對象，沒有額外的操作
2. 手動創建線程池，我們更明白線程池的參數，方便調優。
3. Executors創建的線程池有可能導致OOM異常。

雖然不建議直接使用Executors直接創建線程池，但是我們可以看一下它給我們提供了那些工廠方法：

 // 返回一個可根據實際情況調整線程數量的線程池 // 它是大小無界的線程池，適合執行很多短期一步的小程序，或是負載比較輕的服務器。 public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue()); }  // 返回一個固定線程數量的線程池 // 適合負載比較重的服務器 public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue()); }  // 返回一個固定線程數量的線程池對象，ScheduledThreadPoolExecutor對象可以定時執行某任務 // 適合於多個後臺線程執行週期任務。 public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); }  // 返回只有一個線程的線程池。 // 適合於單個線程順序的執行任務 public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue 
())); } // 返回只有一個線程的ScheduledThreadPoolExecutor對象。 // 單個線程執行週期任務 public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() { return new DelegatedScheduledExecutorService (new ScheduledThreadPoolExecutor(1)); }

本質上，我們可以通過ThreadPoolExecutor來創建線程池：

new ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {

參數如下：

1. corePoolSize: 線程池的基本大小。當提交一個任務的時候，線程池就會創建一個新的線程執行任務，即使核心線程池中有空閒線程，也會新建，知道線程池中的數量等於corePoolSize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的線程。
2. maximumPoolSize：線程池允許創建的最大線程數。當使用無界隊列的時候，這個參數就沒什麼效果了。
3. keepAliveTime：線程池的工作線程空閒以後，保持存活的時間，如果任務多，並且任務執行時間段，可以調大時間，提高線程的利用率。
4. unit 保活時間的單位
5. workQueue： 任務隊列，用於保持或等待執行的任務阻塞隊列。有如下隊列可供選擇：

• ArrayBlockingQueue: 基於數組結構的有界隊列，此隊列按FIFO原則對元素進行排序
• LinkedBlockingQueue: 基於鏈表的阻塞隊列，FIFO原則，吞吐量通常高於ArrayBlockingQueue.
• SynchronousQueue: 不存儲元素的阻塞隊列。每個插入必須要等到另一個線程調用移除操作。
• PriorityBlockingQueue: 具有優先級的無阻塞隊列

1. threadFactory：用於設置創建線程的工廠。
2. handler：拒絕策略，當隊列線程池都滿了，必須採用一種策略來處理還要提交的任務。

在實際應用中，我們可以將信息記錄到日誌，來分析系統的負載和任務丟失情況JDK中提供了4中策略：

• AbortPolicy: 直接拋出異常
• CallerRunsPolicy: 只用調用者所在的線程來運行任務
• DiscardOldestPolicy： 丟棄隊列中最老的一個人任務，並執行當前任務。
• DiscardPolicy: 直接丟棄新進來的任務

知道如上參數，再去分析Executors框架，聰明的你一定知道是怎麼回事了。

執行任務

可以使用兩個方法：

• execute() 提交不需要返回值的任務，無法判斷是否執行成功，具體步驟上面我們有分析
• submit() 提交有返回值的任務，該方法返回一個future的對象，通過future對象可以判斷任務是否執行成功。future的get方法會阻塞當前線程直到任務完成。

關閉線程池

兩個方法：

• shutdown() 通知線程該結束了，嘗試用終端來停止線程，如果線程對中斷不響應的話，那麼這個方法無法關閉線程池。
• shutdownNow() 看名字就知道是立刻關閉線程池，類似於線程的stop方法，不等待任務執行完成就關閉線程。

擴展線程池

有時候需要對線程池做一些擴展，比如知道線程池的開始結束時間，線程池的運行統計等信息。這個時候好在ThreadPoolExecutor給我們提供了三個方法進行擴展：

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

可以監控的屬性：

• taskCount: 線程池需要執行的任務數量
• completedTaskCount: 已經完成的任務數量
• largestPoolSize: 線程池中曾經創建的最大的線程數量
• getPoolSize: 線程池的線程數量
• getActiveCount: 活動的線程數

合理配置線程池

線程池中線程的數量過大和過小都無法使系統的性能發揮到最優，確定線程池的大小可以考慮下面的角度：

• 任務性質：CPU密集，IO密集，和混合密集
• 任務執行時間：長，中，低
• 任務優先級：高，中，低
• 任務的依賴性：是否依賴其它資源，如數據庫連接

建議使用有界隊列，防止撐爆內存

在Java中，獲取CPU數量：

Runtime.getRuntime().availableProcessors(); 

線程池計算公式：

N = CPU數量U = 目標CPU使用率， 0 <= U <= 1W/C = 等待(wait)時間與計算(compute)時間的比率線程池數量 = N * U * (1 + W/C)

線程調度

在多線程競爭的情況下，肯定要涉及到線程調度的問題。線程調度是指系統為線程分配處理器的過程，主要調度方式有兩種。

• 協同步式線程調度(Cooperative Threads-Schedulin) ：線程的執行時間由線程本身控制，執行完任務之後通知系統切換到另外一個線程上。 實現簡單，但是如果一個線程堅持不讓出CPU，那麼會導致整個系統崩潰。
• 搶佔式線程調度(Preemptive Threads-Schedulng)：由系統分配時間，線程切換不由線程本身決定，這種情況下線程的執行時間是系統可控的，也不會有某線程出現問題導致進程阻塞的問題。

Java使用的是搶佔式線程調度。

最後

線程池與普通線程的區別不會太多，只是更好的利用了系統資源，任何使用到線程的地方都可以使用線程池來替代。關於線程池，我們就說到這裡。

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