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Java中该如何优雅的使用线程池详解

2024-04-02 19:55

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为什么要用线程池？

线程是不是越多越好？

线程在java中是一个对象，更是操作系统的资源，线程创建、销毁需要时间。如果创建时间+小会时间>执行任务时间就很不合算。
java对象占用堆内存，操作系统线程占用系统内存，根据jvm规范，一个线程默认最大栈大小1M，这个栈空间是需要从系统内存中分配的。线程过多，会消耗很多的内存。
操作系统需要频繁切换线程上下文（每个线都想被运行），影响性能。

线程池的推出，就是为了方便边的控制线程数量。

线程池

线程池基本概念

线程池包括以下四个基本组成部分：

线程池管理器：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；
工作线程：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；
任务接口：每个任务必须实现的借口，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；
任务队列：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

线程池接口定义和实现类

可以认为ScheduledThreadPoolExector是最丰富的实现类。

ExecutorService


public interface ExecutorService extends Executor {
    
    void shutdown();

    
    List<Runnable> shutdownNow();

    
    boolean isShutdown();

    
    boolean isTerminated();

    
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    
    Future<?> submit(Runnable task);

    
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

    
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;

    
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

ScheduledExecutorService


public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);

    
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit);

    
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

线程池工具类

在使用过程中，可以自己实例化线程池，也可以用Executors创建线程池的工厂累，常用方法如下：

newFixedThreadPool(int nThreads)

创建一个固定大小、任务队列容量误解的线程池。核心线程数=最大线程数。

newCachedThreadPool()

创建的是一个大小无界的缓冲线程池。它的任务队列是一个同步队列。任务加入到池中，如果池中有空闲线程，则用空闲线程执行，如无则创建新线程执行。池中的线程空闲时间超过60秒，将被销毁释放。线程数随任务的多少变化。适用于执行耗时较小的异步任务。池的核心线程数=0，最大线程=Integer.MAX_VALUE

newSingleThreadExecutor()

只有一个线程来执行无界任务队列的单一线程池。该线程池确保任务加入的顺序一个一个一次执行。当唯一的线程因任务异常中止时，将创建一个新的线程来继续执行后续的任务。与newFixedThreadPool(1)的区别在于，单一线程池的池大小在newSingleThreadExecutor方法中硬编码，不能再改变的。

newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

能定时执行任务的线程池。该池的核心线程数由参数指定，最大线程数=Integer.MAX_VALUE

任务线程池执行过程

如何确认合适的线程数量？

如果是CPU密集型应用，则线程池大小设置为N+1 （N为CPU总核数）
如果是IO密集型应用，则线程池大小设置为2N+1 （N为CPU总核数）
线程等待时间(IO)所占比例越高，需要越多线程。
线程CPU时间所占比例越高，需要越少线程。

一个系统最快的部分是CPU，所以决定一个系统吞吐量上限的是CPU。增强CPU处理能力，可以提高系统吞吐量上限。但根据短板效应，真实的系统吞吐量并不能单纯根据CPU来计算。那要提高系统吞吐量，就需要从“系统短板”（比如网络延迟、IO）着手：

尽量提高短板操作的并行化比率，比如多线程下载技术；
增强短板能力，比如用NIO替代IO；

线程池的使用分析


public class ExecutorsUse {
    
    public void testCommon(ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor) throws Exception {
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                        try {
                            System.out.println("开始执行：" + n);
                            Thread.sleep(3000L);
                            System.err.println("执行结束:" + n);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
            );
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 查看线程数量，查看队列等待数量
        Thread.sleep(500L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
        // 等待15秒，查看线程数量和队列数量（理论上，会被超出核心线程数量的线程自动销毁）
        Thread.sleep(15000L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest1() throws Exception {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：线程池线程数量为：5,超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest2() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：
        // 1、 5个任务直接分配线程开始执行
        // 2、 3个任务进入等待队列
        // 3、 队列不够用，临时加开5个线程来执行任务(5秒没活干就销毁)
        // 4、 队列和线程池都满了，剩下2个任务，没资源了，被拒绝执行。
        // 5、 任务执行，5秒后，如果无任务可执行，销毁临时创建的5个线程
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest3() throws Exception {
        // 和Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结：线程池线程数量为：5，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest4() throws Exception {

        // SynchronousQueue，实际上它不是一个真正的队列，因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是，它维护一组线程，这些线程在等待着把元素加入或移出队列。
        // 在使用SynchronousQueue作为工作队列的前提下，客户端代码向线程池提交任务时，
        // 而线程池中又没有空闲的线程能够从SynchronousQueue队列实例中取一个任务，
        // 那么相应的offer方法调用就会失败（即任务没有被存入工作队列）。
        // 此时，ThreadPoolExecutor会新建一个新的工作者线程用于对这个入队列失败的任务进行处理（假设此时线程池的大小还未达到其最大线程池大小maximumPoolSize）。

        // 和Executors.newCachedThreadPool()一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                new SynchronousQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：
        // 1、 线程池线程数量为：15，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
        // 2、 所有任务执行结束，60秒后，如果无任务可执行，所有线程全部被销毁，池的大小恢复为0
        Thread.sleep(60000L);
        System.out.println("60秒后，再看线程池中的数量：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest5() throws Exception {
        // 和Executors.newScheduledThreadPool()一样的
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        threadPoolExecutor.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("任务被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println(
                "定时任务，提交成功，时间是：" + System.currentTimeMillis() + ", 当前线程池中线程数量：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        // 预计结果：任务在3秒后被执行一次
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest6() throws Exception {
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        // 周期性执行某一个任务，线程池提供了两种调度方式，这里单独演示一下。测试场景一样。
        // 测试场景：提交的任务需要3秒才能执行完毕。看两种不同调度方式的区别
        // 效果1： 提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，完毕后立刻执行)。
        // 也就是说这个代码中是，3秒钟执行一次（计算方式：每次执行三秒，间隔时间1秒，执行结束后马上开始下一次执行，无需等待）
        threadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-1 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 效果2：提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，等上一次执行完毕后再开始计时，等待1秒)。
        // 也就是说这个代码钟的效果看到的是：4秒执行一次。 （计算方式：每次执行3秒，间隔时间1秒，执行完以后再等待1秒，所以是 3+1）
        threadPoolExecutor.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-2 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest7() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行：" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常：" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdown后，不接收新的任务，等待13任务执行结束
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
    }

    
    private void threadPoolExecutorTest8() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.err.println("有任务被拒绝执行了");
            }
        });
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行：" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常：" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        List<Runnable> shutdownNow = threadPoolExecutor.shutdownNow();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        System.out.println("未结束的任务有：" + shutdownNow.size());

        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdownnow后，队列中的3个线程不再执行，10个线程被终止
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest1();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest2();
//          new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest3();
        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest4();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest5();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest6();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest7();
//        new ExecutorsUse().threadPoolExecutorTest8();
    }
}

合理配置线程池大小

如果想合理设置线程池的线程数量需要考虑两个问题：

1、需要分析线程池执行的任务的特性： CPU 密集型还是 IO 密集型。

2、每个任务执行的平均时长大概是多少，这个任务的执行时长可能还跟任务处理逻辑是否涉及到网络传输以及底层系统资源依赖有关系。

如果是 CPU 密集型，那线程池的最大线程数可以配置为 cpu 核心数+1；如果是 IO 密集型，线程池设定最佳线程数目 = （（线程池设定的线程等待时间+线程 CPU 时间）/线程 CPU 时间）* CPU 数目。

线程池的关闭

ThreadPoolExecutor 提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是 shutdown() 和shutdownNow()，其中：shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务 shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。