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Java并发编程之线程池

一、概述

在执行并发任务时,我们可以把任务传递给一个线程池,来替代为每个并发执行的任务都启动一个新的线程,只要池里有空闲的线程,任务就会分配一个线程执行。在线程池的内部,任务被插入一个阻塞队列(BlockingQueue),线程池里的线程会去取这个队列里的任务。

利用线程池有三个好处:

  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,任务可以不需要的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

二、线程池的使用

1、创建线程池

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

创建一个线程池需要的几个参数:

  • corePoolSize:线程池的基本大小,当提交一个任务到线程池,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corePoolSize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:线程池最大大小,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。
  • 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。
  • unit:线程活动保持时间的单位
  • workQueue:任务队列,用于保存等待执行的任务的阻塞队列,可以选择以下几个队列:

1、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。

2、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。

3、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。

4、PriorityBlockingQueue:一个具有优先级得无限阻塞队列。

  • threadFactory:用于设置创建线程的工厂,可以通过线程工程给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
  • handler:饱和策略,当线程池和队列都满了,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。这个策略默认情况下是AbortPolicy,表示无法处理新任务时抛出异常。

此外,我们还可以通过调用Ececutors中的某个静态工厂方法来创建一个线程池(它们的内部实现原理都是相同的,仅仅是使用了不同的工作队列或线程池大小):

newFixedThreadPool:创建一个定长的线程池,每当提交一个任务就创建一个线程,直到达到池的最大长度,这时线程池会保持长度不在变化

newCachedThreadPool:创建一个可缓存的线程池,如果当前的线程池的长度超过了处理的需要时,它可以灵活的回收空闲的线程,当需求增加时,它可以灵活的添加新的线程,并不会对池的长度做任何限制

newSingleThreadPool:创建一个单线程化的executor,它只会创建唯一的工作者线程来执行任务

newScheduledThreadPool:创建一个定长的线程池,而且支持定时的以及周期性的任务执行,类似于Timer

2、向线程池提交任务

可以使用execute向线程池提交任务:

 public class Test2 {     public static void main(String[] args)     {         BlockingQueue<Runnable> workQueue=new LinkedBlockingDeque<Runnable>();         ThreadPoolExecutor poolExecutor=new ThreadPoolExecutor(2, 3, 60, TimeUnit.SECONDS, workQueue);         poolExecutor.execute(new Task1());         poolExecutor.execute(new Task2());      poolExecutor.shutdown();     } } class Task1 implements Runnable {      public void run()     {         System.out.println("执行任务1");     } } class Task2 implements Runnable {      public void run()     {         System.out.println("执行任务2");     } } 

也可以使用submit方法来提交任务,它会返回一个future,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方法获取返回值,get方法会阻塞直到任务完成。

 public class Test3 {     public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException     {         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();         List<Future<String>> resultList = new ArrayList<Future<String>>();            // 创建10个任务并执行         for (int i = 0; i < 10; i++)         {             // 使用ExecutorService执行Callable类型的任务,并将结果保存在future变量中             Future<String> future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));             resultList.add(future);         }         for (Future<String> future : resultList)         {             while (!future.isDone());// Future返回如果没有完成,则一直循环等待,直到Future返回完成             {                 System.out.println(future.get()); // 打印各个线程(任务)执行的结果             }         }         executorService.shutdown();     } } class TaskWithResult implements Callable<String> {     private int id;     public TaskWithResult(int id)     {         this.id = id;     }     public String call() throws Exception     {         return "执行结果"+id;     } } 

3、线程关闭

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池,但是它们的实现原理不同,shutdown的原理是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。shutdownNow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。shutdownNow会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。

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。

三、线程池的执行过程

整个ThreadExecutor的任务处理经过下面4个步骤,如下图所示:

Java并发编程之线程池

1、如果当前的线程数<corePoolSize,提交的Runnable任务,会直接作为new Thread的参数,立即执行,当提交的任务数超过了corePoolSize,就进入第二部操作

2、将当前的任务提交到BlockingQueue阻塞队列中,如果Block Queue是个有界队列,当队列满了之后就进入第三步

3、如果poolSize < maximumPoolsize时,会尝试new 一个Thread的进行救急处理,执行对应的runnable任务

4、如果第三步也无法处理,就会用RejectedExecutionHandler来做拒绝处理

四、执行定时及周期性任务

Timer工具管理任务的定时以及周期性执行。示例代码如下:

 public class TimerTest {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间:"+sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(3000);//模拟任务1执行时间为3秒                 }                 catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         System.out.println("当前时间:"+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),4000); //间隔4秒周期性执行     } } 

执行结果:

Java并发编程之线程池

可以看到上述任务1以4秒为间隔周期性执行。但是Timer存在一些缺陷,主要是下面两个方面的问题:

缺陷1 Timer只创建唯一的线程的来执行所有的Timer任务,如果一个time任务的执行很耗时,会导致其他的TimeTask的时效准确性出问题。看下面的例子:

 public class TimerTest {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间:"+sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(10000);                 }                 catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         TimerTask timerTask2=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                                  System.out.println("任务2执行时间:"+sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间:"+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),1000); //间隔1秒周期性执行         timer.schedule(timerTask2, new Date(),4000); //间隔4秒周期性执行     } } 

执行结果:

Java并发编程之线程池

缺陷2 :如果TimeTask抛出未检查的异常,Timer将产生无法预料的行为。Timer线程并不捕获线程,所有TimerTask抛出的未检查的异常会终止timer线程。看下面的代码:

 public class TimerTest2 {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间:"+sdf.format(new Date()));                 throw new RuntimeException();             }         };                  TimerTask timerTask2=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务2执行时间:"+sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间:"+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),1000); //周期1秒执行任务1         timer.schedule(timerTask2, new Date() ,3000); //周期3秒执行任务2              } } 

执行结果为:

Java并发编程之线程池

针对上述的两个问题,我们可以使用ScheduledThreadPoolExecutor来作为Timer的替代。

针对问题1,有下面代码:

 public class ScheduledThreadPoolExecutorTest {     final static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");     public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1 = new TimerTask()         {              @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间:" + sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(10000);                 } catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         TimerTask timerTask2 = new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务2执行时间:" + sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间:" + sdf.format(new Date()));         ScheduledThreadPoolExecutor poolExecutor=new ScheduledThreadPoolExecutor(2);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask1, 0, 1000,TimeUnit.MILLISECONDS);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask2,  0, 4000,TimeUnit.MILLISECONDS);     } } 

执行的结果为:

Java并发编程之线程池

针对问题2,有下面代码:

 public class ScheduledThreadPoolExecutorTest2 {     final static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");     public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1 = new TimerTask()         {              @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间:" + sdf.format(new Date()));                 throw new RuntimeException();             }         };         TimerTask timerTask2 = new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                  System.out.println("任务2执行时间:" + sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间:" + sdf.format(new Date()));         ScheduledThreadPoolExecutor poolExecutor=new ScheduledThreadPoolExecutor(2);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask1, 0, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);           poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask2, 0, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);     } } 

执行结果为:

Java并发编程之线程池

五、参考资料

1、Java并发编程实践

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