聊聊并發(三)Java線程池的分析和使用

作者:方騰飛 原文發表于infoQ:http://www.infoq.com/cn/articles/java-threadPool

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?。寒斕峤灰粋€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于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,線程池會提前創建并啟動所有基本線程。
  • runnableTaskQueue(任務隊列):用于保存等待執行的任務的阻塞隊列??梢赃x擇以下幾個阻塞隊列。
  1. ArrayBlockingQueue:是一個基于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。
  2. LinkedBlockingQueue:一個基于鏈表結構的阻塞隊列,此隊列按FIFO (先進先出) 排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。靜態工廠方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。
  3. 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于阻塞狀態,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue,靜態工廠方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個隊列。
  4. PriorityBlockingQueue:一個具有優先級得無限阻塞隊列。
  • maximumPoolSize(線程池最大大?。壕€程池允許創建的最大線程數。如果隊列滿了,并且已創建的線程數小于最大線程數,則線程池會再創建新的線程執行任務。值得注意的是如果使用了無界的任務隊列這個參數就沒什么效果。
  • ThreadFactory:用于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,說明線程池處于飽和狀態,那么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。

  1. CallerRunsPolicy:只用調用者所在線程來運行任務。
  2. DiscardOldestPolicy:丟棄隊列里最近的一個任務,并執行當前任務。
  3. DiscardPolicy:不處理,丟棄掉。
  4. 當然也可以根據應用場景需要來實現RejectedExecutionHandler接口自定義策略。如記錄日志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后,保持存活的時間。所以如果任務很多,并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,那么我們可以通過這個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后立即返回,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,然后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,然后逐個調用線程的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,然后嘗試停止所有的正在執行或暫停任務的線程,并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后,才表示線程池關閉成功,這時調用isTerminaed方法會返回true。至于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:

Java線程池主要工作流程

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:

  1. 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。
  2. 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里。滿了,則進入下個流程。
  3. 最后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();

//如果線程數小于基本線程數,則創建線程并執行當前任務

if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {

//如線程數大于等于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);

}

//如果線程池不處于運行中或任務無法放入隊列,并且當前線程數量小于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在執行完任務后,還會無限循環獲取工作隊列里的任務來執行。我們可以從Worker的run方法里看到這點:

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:

  1. 任務的性質:CPU密集型任務,IO密集型任務和混合型任務。
  2. 任務的優先級:高,中和低。
  3. 任務的執行時間:長,中和短。
  4. 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密集型任務則由于需要等待IO操作,線程并不是一直在執行任務,則配置盡可能多的線程,如2*Ncpu?;旌闲偷娜蝿?,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,那么分解后執行的吞吐率要高于串行執行的吞吐率,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,需要注意的是如果一直有優先級高的任務提交到隊列里,那么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后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,那么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后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,因為后臺任務線程池里的任務全是需要向數據庫查詢和插入數據的,所以導致線程池里的工作線程全部阻塞住,任務積壓在線程池里。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,而不只是后臺任務出現問題。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。線程池里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。小于或等于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。如等于線程池的最大大小,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,池里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。通過繼承線程池并重寫線程池的beforeExecute,afterExecute和terminated方法,我們可以在任務執行前,執行后和線程池關閉前干一些事情。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里是空方法。如:

<b>protected</b> <b>void</b> beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

6.??? 參考資料

  • Java并發編程實戰。
  • JDK1.6源碼。

原創文章,轉載請注明: 轉載自并發編程網 – www.shiekolong789.icu本文鏈接地址: 聊聊并發(三)Java線程池的分析和使用


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    • nicky
    • 2013/01/27 10:18上午

    你好,看了你的文章,有2點疑問
    1 一個線程是不是只做一個任務?

    2 電腦是雙核的, 那不是最多只能同時處理2個線程嗎?如何能夠同時處理多個線程呢?

    • 1:一個線程做完一個任務再做另外一個。
      2:如果是不支持超線程的CPU,在同一時刻的確只能處理2個線程,但是并不意味著雙核的CPU只能處理兩個線程,它可以通過切換上下文來執行多個線程。比如我只有一個大腦,但是我要處理5個人提交的任務,我可以處理完A的事情后,把事情的中間結果保存下,然后再處理B的,然后再讀取A的中間結果,處理A的事情。

    • nicky
    • 2013/01/30 2:50下午

    你好呀,看了你前面的關于介紹synchronized方面的文章,對自己寫的一個使用多線程下載的有點暈,
    Pool <—— Task(Runnable) <—- void run(synchronized(this){ downLoadService(webUrl,savePath)})
    而在調用的過程中采用是
    for(….)
    {
    pool.execute(new Task(arg1 ,arg2));
    }
    在這個過程中使用synchroinzed方法有效么,當時也是老大催的緊,沒時間細想,現在正在看這部分代碼,越看越覺得有問題,所以問下。。
    (ps: 怎么評論的時候不能上傳圖片啊。。。)

      • niubist
      • 2019/06/03 4:25下午

      (synchronized(this))
      pool.execute(new Task(arg1 ,arg2));
      每次提交任務都會生成一個對象(new Task()),所以每個this都是不一樣的,所以沒用,無效

  1. 如果是在線程池的任務里,試用同步沒有什么效果的,因為只有一個線程會執行當前任務。

    • icecode
    • 2013/03/14 3:56下午

    “需要注意的是如果一直有優先級高的任務提交到隊列里,那么優先級高的任務可能永遠不能執行” 這句話應該是錯的吧, 應該是“優先級低的任務可能永遠不能執行”

    • dk
    • 2013/03/19 7:46上午

    ThreadFactory:用于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。
    上面是在“創建一個線程池需要輸入幾個參數”中介紹的,但是沒有發現ThreadFactory是哪個地方出現的參數。

    • 是我寫得有遺漏,已經修正,多謝了。ThreadPoolExecutor有這樣的構造方法,在RejectedExecutionHandler前面可以傳遞java.util.concurrent.ThreadFactory

      ThreadPoolExecutor(int, int, long, java.util.concurrent.TimeUnit, java.util.concurrent.BlockingQueue, java.util.concurrent.ThreadFactory, java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler)

    • play404
    • 2013/09/21 2:44上午

    hao!

  2. 一個小問題,一個線程池中執行不同種類并且不相關的任務,是不是一個好的設計?

    • 看應用場景的。如果任務數很少,又對任務沒有執行速度要求,可以放在一個線程池里。

    • real
    • 2014/05/08 12:14下午

    線程池的配置大小是基本線程池大小還是最大線程池大小呢

  3. 創建線程池的代碼
    new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize,keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);
    其中的milliseconds應該為timeUnit

    • 大巴氣
    • 2015/02/16 9:37上午

    keepAliveTime這個參數有點含糊不清,應該說的再清楚一點。
    例如:超出隊列時創建線程(當然必須小于maximumPoolSize)運行任務后,如果再沒有其它任務可運行也就空閑(線程池不在提交任務和隊列中的任務已經被corePoolSize的線程執行完成),空閑超出這個參數時間線程結束(理解為銷毀)。

    while (task != null || (task = getTask()) != null) { 線程調用getTask()進行阻塞。

    private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    retry:
    for (;;) {
    int c = ctl.get();
    int rs = runStateOf(c);

    // Check if queue empty only if necessary.
    if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
    decrementWorkerCount();
    return null;
    }

    boolean timed; // Are workers subject to culling?

    for (;;) {
    int wc = workerCountOf(c);
    timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

    if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed)) // 2.因為timeOut=true,timed=true,條件不成立
    break;
    if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
    return null; // 返回null,線程結束
    c = ctl.get(); // Re-read ctl
    if (runStateOf(c) != rs)
    continue retry;
    // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
    }

    try {
    Runnable r = timed ?
    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : // 注意這里的poll和take的區別
    workQueue.take();
    if (r != null)
    return r;
    timedOut = true; // 1. poll在指定的時間內取不到,這timeOut=true
    } catch (InterruptedException retry) {
    timedOut = false;
    }
    }
    }

    • yankang
    • 2015/04/24 5:13下午

    可能是jdk版本不同(我的openjdk1.7),我看到的源碼和您的有些不一樣(如下), 有一個問題想請教下: 既然worker 每次都執行一個任務, 這里為啥要:w.lock()/unlock()?多謝啦
    final void runWorker(Worker w) {
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
    w.lock();
    clearInterruptsForTaskRun();
    try {
    beforeExecute(w.thread, 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);
    }
    }

    • playersfk
    • 2015/09/02 10:14上午

    請問一下,如果我的任務需要強調邏輯先后順序,但是加入線程池中可能有先后順序的任務放到了多個線程執行,就會導致順序不一致,是不是就不能使用線程池。有沒有什么好的方式來做?

    • zming
    • 2016/08/12 11:04上午

    您好,我想請問一下,ExecutorService 線程池可以不用關閉線程的嗎?之前問過一個前輩說是線程池可以自動管理線程,不需要手動關閉,查過資料又說是要關閉的,所以這個感覺很矛盾,望能解惑。

    • 整個程序在運行時,并且你還需要使用線程池完成任務就可以不用關閉,但是在關閉程序前,建議關閉線程池。

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