JAVA线程池----ThreadPoolExecutor机制

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我是靠谱客的博主专一棒球，最近开发中收集的这篇文章主要介绍JAVA线程池----ThreadPoolExecutor机制，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

ThreadPoolExecutor机制
一、概述
1、ThreadPoolExecutor作为java.util.concurrent包对外提供基础实现，以内部线程池的形式对外提供管理任务执行，线程调度，线程池管理等等服务；

2、Executors方法提供的线程服务，都是通过参数设置来实现不同的线程池机制。

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：
newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

3、当然用户还可以自定义线程池，了解其线程池管理的机制，有助于正确使用，避免错误使用导致严重故障。同时可以根据自己的需求实现自己的线程池

二、核心构造方法讲解
下面是ThreadPoolExecutor最核心的构造方法

Java代码

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}

构造方法参数讲解

参数名	作用
corePoolSize	核心线程池大小
maximumPoolSize	最大线程池大小
keepAliveTime	线程池中超过corePoolSize数目的空闲线程最大存活时间；可以allowCoreThreadTimeOut(true)使得核心线程有效时间
TimeUnit	keepAliveTime时间单位
workQueue	阻塞任务队列
threadFactory	新建线程工厂
RejectedExecutionHandler	当提交任务数超过maxmumPoolSize+workQueue之和时，任务会交给RejectedExecutionHandler来处理

重点讲解：
其中比较容易让人误解的是：corePoolSize，maximumPoolSize，workQueue之间关系。

1.当线程池小于corePoolSize时，新提交任务将创建一个新线程执行任务，即使此时线程池中存在空闲线程。
2.当线程池达到corePoolSize时，新提交任务将被放入workQueue中，等待线程池中任务调度执行
3.当workQueue已满，且corePoolSize<maximumPoolSize时，新提交任务会创建新线程执行任务
4.当提交任务数超过maximumPoolSize时，新提交任务由RejectedExecutionHandler处理
5.当线程池中超过corePoolSize线程，空闲时间达到keepAliveTime时，关闭空闲线程
6.当设置allowCoreThreadTimeOut(true)时，线程池中corePoolSize线程空闲时间达到keepAliveTime也将关闭

线程池中任务有三种排队策略：

a. 直接提交。直接提交策略表示线程池不对任务进行缓存。新进任务直接提交给线程池，当线程池中没有空闲线程时，创建一个新的线程处理此任务。这种策略需要线程池具有无限增长的可能性。实现为：SynchronousQueue

b. 有界队列。当线程池中线程达到corePoolSize时，新进任务被放在队列里排队等待处理。有界队列（如ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞（例如，如果它们是 I/O 边界），则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU 使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量。

c. 无界队列。使用无界队列（例如，不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue）将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize。（因此，maximumPoolSize 的值也就无效了。）当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；例如，在 Web 页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求，当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。

AbortPolicy：默认策略，终止任务，抛出RejectedException
CallerRunsPolicy：在调用者线程执行当前任务，不抛异常
DiscardPolicy：抛弃策略，直接丢弃任务，不抛异常
DiscardOldersPolicy：抛弃最老的任务，执行当前任务，不抛异常

线程管理机制图示：

使用线程池的注意事项

r如何设置线程池参数：CPU密集型、IO密集型： CPU秘密型是2*CPU，另外一个是CPU/(1-阻塞系数)

死锁

任何多线程程序都有死锁的风险，最简单的情形是两个线程AB，A持有锁1，请求锁2，B持有锁2，请求锁1。（这种情况在mysql的排他锁也会出现，不会数据库会直接报错提示）。线程池中还有另一种死锁：假设线程池中的所有工作线程都在执行各自任务时被阻塞，它们在等待某个任务A的执行结果。而任务A却处于队列中，由于没有空闲线程，一直无法得以执行。这样线程池的所有资源将一直阻塞下去，死锁也就产生了。

系统资源不足

如果线程池中的线程数目非常多，这些线程会消耗包括内存和其他系统资源在内的大量资源，从而严重影响系统性能。

并发错误

线程池的工作队列依靠wait()和notify()方法来使工作线程及时取得任务，但这两个方法难以使用。如果代码错误，可能会丢失通知，导致工作线程一直保持空闲的状态，无视工作队列中需要处理的任务。因为最好使用一些比较成熟的线程池。

线程泄漏

使用线程池的一个严重风险是线程泄漏。对于工作线程数目固定的线程池，如果工作线程在执行任务时抛出RuntimeException或Error，并且这些异常或错误没有被捕获，那么这个工作线程就异常终止，使线程池永久丢失了一个线程。（这一点太有意思）

另一种情况是，工作线程在执行一个任务时被阻塞，如果等待用户的输入数据，但是用户一直不输入数据，导致这个线程一直被阻塞。这样的工作线程名存实亡，它实际上不执行任何任务了。如果线程池中的所有线程都处于这样的状态，那么线程池就无法加入新的任务了。各种类型的线程池中一个严重的风险是线程泄漏，当从池中除去一个线程以执行一项任务，而在任务完成后该线程却没有返回池时，会发生这种情况。发生线程泄漏的一种情形出现在任务抛出一个 RuntimeException 或一个 Error 时。如果池类没有捕捉到它们，那么线程只会退出而线程池的大小将会永久减少一个。当这种情况发生的次数足够多时，线程池最终就为空，而且系统将停止，因为没有可用的线程来处理任务。
有些任务可能会永远等待某些资源或来自用户的输入，而这些资源又不能保证变得可用，用户可能也已经回家了，诸如此类的任务会永久停止，而这些停止的任务也会引起和线程泄漏同样的问题。如果某个线程被这样一个任务永久地消耗着，那么它实际上就被从池除去了。对于这样的任务，应该要么只给予它们自己的线程，要么只让它们等待有限的时间。

任务过载

当工作线程队列中有大量排队等待执行的任务时，这些任务本身可能会消耗太多的系统资源和引起资源缺乏。

综上所述，使用线程池时，要遵循以下原则：

如果任务A在执行过程中需要同步等待任务B的执行结果，那么任务A不适合加入到线程池的工作队列中。如果把像任务A一样的需要等待其他任务执行结果的加入到队列中，可能造成死锁
如果执行某个任务时可能会阻塞，并且是长时间的阻塞，则应该设定超时时间，避免工作线程永久的阻塞下去而导致线程泄漏。在服务器才程序中，当线程等待客户连接，或者等待客户发送的数据时，都可能造成阻塞，可以通过以下方式设置时间：

调用ServerSocket的setSotimeout方法，设定等待客户连接的超时时间。

对于每个与客户连接的socket，调用该socket的setSoTImeout方法，设定等待客户发送数据的超时时间。
了解任务的特点，分析任务是执行经常会阻塞io操作，还是执行一直不会阻塞的运算操作。前者时断时续的占用cpu，而后者具有更高的利用率。预计完成任务大概需要多长时间，是短时间任务还是长时间任务，然后根据任务的特点，对任务进行分类，然后把不同类型的任务加入到不同的线程池的工作队列中，这样就可以根据任务的特点，分配调整每个线程池
调整线程池的大小。线程池的最佳大小主要取决于系统的可用cpu的数目，以及工作队列中任务的特点。假如一个具有N个cpu的系统上只有一个工作队列，并且其中全部是运算性质(不会阻塞)的任务，那么当线程池拥有N或N+1个工作线程时，一般会获得最大的cpu使用率。
如果工作队列中包含会执行IO操作并经常阻塞的任务，则要让线程池的大小超过可用 cpu的数量，因为并不是所有的工作线程都一直在工作。选择一个典型的任务，然后估计在执行这个任务的工程中，等待时间与实际占用cpu进行运算的时间的比例WT/ST。对于一个具有N个cpu的系统，需要设置大约N*(1+WT/ST)个线程来保证cpu得到充分利用。

当然,cpu利用率不是调整线程池过程中唯一要考虑的事项，随着线程池工作数目的增长，还会碰到内存或者其他资源的限制，如套接字，打开的文件句柄或数据库连接数目等。要保证多线程消耗的系统资源在系统承受的范围之内。
避免任务过载。服务器应根据系统的承载能力，限制客户并发连接的数目。当客户的连接超过了限制值，服务器可以拒绝连接，并进行友好提示，或者限制队列长度.

三、Executors提供的线程池配置方案

1、构造一个固定线程数目的线程池，配置的corePoolSize与maximumPoolSize大小相同，同时使用了一个无界LinkedBlockingQueue存放阻塞任务，因此多余的任务将存在再阻塞队列，不会由RejectedExecutionHandler处理

Java代码

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

2、构造一个缓冲功能的线程池，配置corePoolSize=0，maximumPoolSize=Integer.MAX_VALUE，keepAliveTime=60s,以及一个无容量的阻塞队列 SynchronousQueue，因此任务提交之后，将会创建新的线程执行；线程空闲超过60s将会销毁

Java代码

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}

3、构造一个只支持一个线程的线程池，配置corePoolSize=maximumPoolSize=1，无界阻塞队列LinkedBlockingQueue；保证任务由一个线程串行执行

Java代码

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

4、构造有定时功能的线程池，配置corePoolSize，无界延迟阻塞队列DelayedWorkQueue；有意思的是：maximumPoolSize=Integer.MAX_VALUE，由于DelayedWorkQueue是无界队列，所以这个值是没有意义的

Java代码

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
ThreadFactory threadFactory) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
}

四、定制属于自己的非阻塞线程池

Java代码

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class CustomThreadPoolExecutor {
private ThreadPoolExecutor pool = null;
/**
* 线程池初始化方法
*
* corePoolSize 核心线程池大小----10
* maximumPoolSize 最大线程池大小----30
* keepAliveTime 线程池中超过corePoolSize数目的空闲线程最大存活时间----30+单位TimeUnit
* TimeUnit keepAliveTime时间单位----TimeUnit.MINUTES
* workQueue 阻塞队列----new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10)====10容量的阻塞队列
* threadFactory 新建线程工厂----new CustomThreadFactory()====定制的线程工厂
* rejectedExecutionHandler 当提交任务数超过maxmumPoolSize+workQueue之和时,
* 即当提交第41个任务时(前面线程都没有执行完,此测试方法中用sleep(100)),
* 任务会交给RejectedExecutionHandler来处理
*/
public void init() {
pool = new ThreadPoolExecutor(
10,
30,
30,
TimeUnit.MINUTES,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10),
new CustomThreadFactory(),
new CustomRejectedExecutionHandler());
}
public void destory() {
if(pool != null) {
pool.shutdownNow();
}
}
public ExecutorService getCustomThreadPoolExecutor() {
return this.pool;
}
private class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
String threadName = CustomThreadPoolExecutor.class.getSimpleName() + count.addAndGet(1);
System.out.println(threadName);
t.setName(threadName);
return t;
}
}
private class CustomRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler {
@Override
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
// 记录异常
// 报警处理等
System.out.println("error.............");
}
}
// 测试构造的线程池
public static void main(String[] args) {
CustomThreadPoolExecutor exec = new CustomThreadPoolExecutor();
// 1.初始化
exec.init();
ExecutorService pool = exec.getCustomThreadPoolExecutor();
for(int i=1; i<100; i++) {
System.out.println("提交第" + i + "个任务!");
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("running=====");
}
});
}
// 2.销毁----此处不能销毁,因为任务没有提交执行完,如果销毁线程池,任务也就无法执行了
// exec.destory();
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

方法中建立一个核心线程数为30个，缓冲队列有10个的线程池。每个线程任务，执行时会先睡眠3秒，保证提交10任务时，线程数目被占用完，再提交30任务时，阻塞队列被占用完，，这样提交第41个任务是，会交给CustomRejectedExecutionHandler 异常处理类来处理。

提交任务的代码如下：

Java代码

public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}

注意：41以后提交的任务就不能正常处理了，因为，execute中提交到任务队列是用的offer方法，如上面代码，这个方法是非阻塞的，所以就会交给CustomRejectedExecutionHandler 来处理，所以对于大数据量的任务来说，这种线程池，如果不设置队列长度会OOM，设置队列长度，会有任务得不到处理，接下来我们构建一个阻塞的自定义线程池

五、定制属于自己的阻塞线程池

Java代码

package com.tongbanjie.trade.test.commons;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class CustomThreadPoolExecutor {
private ThreadPoolExecutor pool = null;
/**
* 线程池初始化方法
*
* corePoolSize 核心线程池大小----1
* maximumPoolSize 最大线程池大小----3
* keepAliveTime 线程池中超过corePoolSize数目的空闲线程最大存活时间----30+单位TimeUnit
* TimeUnit keepAliveTime时间单位----TimeUnit.MINUTES
* workQueue 阻塞队列----new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5)====5容量的阻塞队列
* threadFactory 新建线程工厂----new CustomThreadFactory()====定制的线程工厂
* rejectedExecutionHandler 当提交任务数超过maxmumPoolSize+workQueue之和时,
* 即当提交第41个任务时(前面线程都没有执行完,此测试方法中用sleep(100)),
* 任务会交给RejectedExecutionHandler来处理
*/
public void init() {
pool = new ThreadPoolExecutor(
1,
3,
30,
TimeUnit.MINUTES,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5),
new CustomThreadFactory(),
new CustomRejectedExecutionHandler());
}
public void destory() {
if(pool != null) {
pool.shutdownNow();
}
}
public ExecutorService getCustomThreadPoolExecutor() {
return this.pool;
}
private class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
String threadName = CustomThreadPoolExecutor.class.getSimpleName() + count.addAndGet(1);
System.out.println(threadName);
t.setName(threadName);
return t;
}
}
private class CustomRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler {
@Override
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
try {
// 核心改造点，由blockingqueue的offer改成put阻塞方法
executor.getQueue().put(r);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 测试构造的线程池
public static void main(String[] args) {
CustomThreadPoolExecutor exec = new CustomThreadPoolExecutor();
// 1.初始化
exec.init();
ExecutorService pool = exec.getCustomThreadPoolExecutor();
for(int i=1; i<100; i++) {
System.out.println("提交第" + i + "个任务!");
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(">>>task is running=====");
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
// 2.销毁----此处不能销毁,因为任务没有提交执行完,如果销毁线程池,任务也就无法执行了
// exec.destory();
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

解释：当提交任务被拒绝时，进入拒绝机制，我们实现拒绝方法，把任务重新用阻塞提交方法put提交，实现阻塞提交任务功能，防止队列过大，OOM，提交被拒绝方法在下面

Java代码

public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
// 进入拒绝机制，我们把runnable任务拿出来，重新用阻塞操作put，来实现提交阻塞功能
reject(command);
}

总结：
1、用ThreadPoolExecutor自定义线程池，看线程是的用途，如果任务量不大，可以用无界队列，如果任务量非常大，要用有界队列，防止OOM
2、如果任务量很大，还要求每个任务都处理成功，要对提交的任务进行阻塞提交，重写拒绝机制，改为阻塞提交。保证不抛弃一个任务
3、最大线程数一般设为2N+1最好，N是CPU核数
4、核心线程数，看应用，如果是任务，一天跑一次，设置为0，合适，因为跑完就停掉了，如果是常用线程池，看任务量，是保留一个核心还是几个核心线程数
5、如果要获取任务执行结果，用CompletionService，但是注意，获取任务的结果的要重新开一个线程获取，如果在主线程获取，就要等任务都提交后才获取，就会阻塞大量任务结果，队列过大OOM，所以最好异步开个线程获取结果