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聊聊并发(三)——JAVA线程池的分析和使用

作者 发布于 2012年11月15日 | ArchSummit全球架构师峰会(北京站)2016年12月02-03日举办,了解更多详情!

1. 引言

合理利用线程池能够带来三个好处。第一: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。第二: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。第三: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。

2. 线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

new  ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, handler);

创建一个线程池需要输入几个参数:

  • corePoolSize(线程池的基本大小):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。
  • runnableTaskQueue(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。
  • 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。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。
  • ThreadFactory:用于设置创建线程的工厂,可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
  • RejectedExecutionHandler(饱和策略):当队列和线程池都满了,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。以下是JDK1.5提供的四种策略。
    • AbortPolicy:直接抛出异常。
    • CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务。
    • DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。
    • DiscardPolicy:不处理,丢弃掉。
    • 当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
  • 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。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。
  • TimeUnit(线程活动保持时间的单位):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)。

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();
}

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。

3. 线程池的分析

流程分析:线程池的主要工作流程如下图:

从上图我们可以看出,当提交一个新任务到线程池时,线程池的处理流程如下:

  1. 首先线程池判断基本线程池是否已满?没满,创建一个工作线程来执行任务。满了,则进入下个流程。
  2. 其次线程池判断工作队列是否已满?没满,则将新提交的任务存储在工作队列里。满了,则进入下个流程。
  3. 最后线程池判断整个线程池是否已满?没满,则创建一个新的工作线程来执行任务,满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

源码分析。上面的流程分析让我们很直观的了解了线程池的工作原理,让我们再通过源代码来看看是如何实现的。线程池执行任务的方法如下:

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
       throw new NullPointerException();
    //如果线程数小于基本线程数,则创建线程并执行当前任务 
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
    //如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败,则将当前任务放到工作队列中。
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                      ensureQueuedTaskHandled(command);
        }
    //如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列,并且当前线程数量小于最大允许的线程数量,
则创建一个线程执行任务。
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
        //抛出RejectedExecutionException异常
            reject(command); // is shutdown or saturated
    }
}

工作线程。线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后,还会无限循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker的run方法里看到这点:

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:

  1. 任务的性质:CPU密集型任务,IO密集型任务和混合型任务。
  2. 任务的优先级:高,中和低。
  3. 任务的执行时间:长,中和短。
  4. 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。

5. 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) { }

6. 参考资料

  • Java并发编程实战。
  • JDK1.6源码

作者介绍

方腾飞,花名清英,淘宝资深开发工程师,关注并发编程,目前在广告技术部从事无线广告联盟的开发和设计工作。个人博客:http://ifeve.com 微博:http://weibo.com/kirals 欢迎通过我的微博进行技术交流。


感谢张龙对本文的审校。

给InfoQ中文站投稿或者参与内容翻译工作,请邮件至editors@cn.infoq.com。也欢迎大家通过新浪微博(@InfoQ)或者腾讯微博(@InfoQ)关注我们,并与我们的编辑和其他读者朋友交流。

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社区评论

拜读,有一些困惑望解答 by 史 雨鑫

腾飞,线程池分析小节中,“队列是否满了”->”线程池是否满了“过程中,假设使用ArrayBlockingQueue队列,文中提到如果队列满了,并且线程池没满,则会新建线程处理此任务,那问题是此任务有可能会在队列任务被执行前执行,这样就不满足”先进先出“原则了吧?望解答。

Re: 拜读,有一些困惑望解答 by 方 腾飞

此任务是提交给线程池执行的新任务,不在队列里。队列里的任务存储的都是以前提交的任务,它们需要等待线程空闲时来执行。

Re: 拜读,有一些困惑望解答 by 萧 欢

你的理解是对的。如果在创建线程池的时候,指定的corePoolSize<maximumPoolsize是会出现你说的这种情况,这在线程池机制中称为“应急处理”。如果你的线程池模型用于任务有严格的先后顺序的情况下,指定corePoolSize=maximumPoolsize就不会有你说的问题了。通常用newFixedThreadPool这个工厂方法创建的线程池是corePoolSize=maximumPoolsize,遵循先进先出>

Re: 拜读,有一些困惑望解答 by 方 腾飞

是的。之前没理解你的问题。

能谈谈thread pool和多核CPU的关系吗? 怎样能保证thread pool的配置,让其能够最大化的压栈多核cpu by biao jiang

能谈谈thread pool和多核CPU的关系吗? 怎样能保证thread pool的配置,让其能够最大化的压栈多核cpu

Re: 能谈谈thread pool和多核CPU的关系吗? 怎样能保证thread pool的配置,让其能够最大化的压栈多核cpu by 萧 欢

这个应该挺难的。只能说,理论上一个CPU分配一个线程是最优的情况,然而这只是理论上。线程池和CPU核数的关系也与线程池的任务模型息息相关,是CPU密集型还是I/O密集型。最简单的方式就是动态递增的增加线程池数目然后跑一段时间程序,观察系统吞吐率,寻找最适合你的那个高层点

Re: 能谈谈thread pool和多核CPU的关系吗? 怎样能保证thread pool的配置,让其能够最大化的压栈多核cpu by bull 老

Java 1.2之后线程都是采用内核级线程(进程)实现的,一个JAVA用户线程最终会对应到一个内核线程上面托管,而内核线程在CPU上的调度是依赖操作系统的,这个问题可以从操作系统层面上解决或者寻求答案。

Re: 能谈谈thread pool和多核CPU的关系吗? 怎样能保证thread pool的配置,让其能够最大化的压栈多核cpu by 方 腾飞

文中有提到如果是CPU密集型任务,使用Ncpu+1个线程可以很好的压榨CPU。详细的可以参见“合理的配置线程池”章节。

使用的一些问题? by Qiao stephen

如果我在一个应用中,存在多个小服务,每个服务都开启一个线程,请问那么是在整个应用中开启一个线程池还是每个小服务开启
一个线程池呢?如果是每个小服务开启一个,各个线程池之间又是怎么管理呢?
是不是使用一个线程池来管理上面的多个线程池呢?

不知道是不是错误 by 高 鹏翔

◦DiscardOldestPolicy:丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务。

这个策略,我看的时候有点疑惑,进入代码里面看了下,应该是丢弃待执行的任务队列的对首,但是这个队列是FIFO的,所以我觉得应该是丢弃最远的一个任务,不知道是否理解的有误解,忘指正

Re: 使用的一些问题? by vince vince

应该是在应用中建一个线程池,把每个服务要执行的方法体封装成Runnable对象提交到线程池里执行吧,线程池顾名思义,就是一个线程库,事先为你建好,要用的时候丢给它,它给你返回结果,至于优势嘛开头说得很清楚了~这么做可以简化客户端代码复杂度,让他只关心自己的线程体逻辑,而线程本身的生命周期等都不需要自己操心~

Re: 不知道是不是错误 by 方 腾飞

的确是丢弃最远的任务,源码如下
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}

昨晚再次阅读了该文,有几个问题需要解答 by 王 明军

1、文中提到了线程池的关闭,那么线程池在什么情况下执行关闭呢?
2、什么是CPU密集型任务?
谢谢!有个问题通过阅读评论已经解决,是丢弃任务那个问题。

Re: 昨晚再次阅读了该文,有几个问题需要解答 by 方 腾飞

1:不需要使用的时候就关闭。比如服务器暂停使用。
2:CPU密集型任务,如压缩和解压缩,这种需要CPU不停的计算的任务。

咨询问题 请答疑 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。 by shulin liu

SynchronousQueue 个人觉得应该是有需要取的操作的时候,才会插入吧?

Re: 咨询问题 请答疑 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 by Yang Lifan

SynchronousQueue , offer 返回 false 但是数据可以插入。offer 返回 false 会导致线程池创建新线程

线程池里的线程是如何复用的 by hua yi

期望能详细描述一下,池里面的线程是如何复用的

Re: 线程池里的线程是如何复用的 by 黄 文海

简单来说,就是保持一定数量的工作者线程,这些工作者线程重复以下动作:
取工作队列中的任务
执行任务

Re: 咨询问题 请答疑 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 by 黄 文海

ThreadPoolExecutor在提交任务的时候,调用的是阻塞队列(BlockingQueue)的非阻塞式入队列方法offer,而不是阻塞式入队列方法put。因此,在使用SynchronousQueue作为线程池的工作队列的前提下,向线程池提交一个任务的时候,如果线程池中当前所有核心工作者线程都在忙(这会导致offer方法返回false,即任务入队列失败),而线程池大小又未达到最大线程池大小,则线程池会新创建一个工作者线程用于处理这个入队列失败的任务。

能不能不要乱写误人子弟! by 王猛 王猛

你好好看下源码再写行吗,那几个线程池哪个基于哪种阻塞队列麻烦看清了,再写好嘛,你看源码吗??

Re: 能不能不要乱写误人子弟! by 阎 锦恒

哪里不对了?你自己看清楚吧,不要扰人视听

taskCount释义有误 by 刘 浩

taskCount应该是已执行任务+待执行任务。

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