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Java 线程池

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带着问题阅读

1、什么是池化,池化能带来什么好处

2、如何设计一个资源池

3、Java的线程池如何使用,Java提供了哪些内置线程池

4、线程池使用有哪些注意事项

池化技术

池化思想介绍

池化思想是将重量级资源预先准备好,在使用时可重复使用这些预先准备好的资源。

池化思想的核心概念有:

例如大街上的共享单车,用户扫码开锁,使用完后归还到停放点,下一个用户可以继续使用,共享单车由厂商统一管理,为用户节省了购买单车的开销。

池化技术的应用

常见的池化技术应用有:资源池、连接池、线程池等。

在各种电商平台大促活动时,平台需要支撑平时几十倍的流量,因此各大平台在需要提前准备大量服务器进行扩容,在活动完毕以后,扩容的服务器资源又白白浪费。将计算资源池化,在业务高峰前进行分配,高峰结束后提供给其他业务或用户使用,即可节省大量消耗,资源池化也是云计算的核心技术之一。

网络连接的建立和释放也是一个开销较大的过程,提前在服务器之间建立好连接,在需要使用的时候从连接池中获取,使用完毕后归还连接池,以供其他请求使用,以此可节省掉大量的网络连接时间,如数据库连接池、HttpClient连接池。

线程的建立销毁都涉及到内核态切换,提前创建若干数量的线程提供给客户端复用,可节约大量的CPU消耗以便处理业务逻辑。线程池也是接下来重点要讲的内容。

如何设计一个线程池

设计一个线程池,至少需要提供的核心能力有:

基于以上角度,我们来分析Java是如何设计线程池功能的。

Java线程池解析

ThreadPoolExecutor使用介绍

大象装冰箱总共分几步

// 1.创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = 
    new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1L, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>());
// 2.提交任务
threadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("task running");
    }
}});
// 3.关闭线程池
threadPool.shutDown();

Java通过ThreadPoolExecutor提供线程池的实现,如示例代码,初始化一个容量为1的线程池、然后提交任务、最后关闭线程池。

ThreadPoolExecutor的核心方法主要有

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

类型 作用
ArrayBlockingQueue 数组结构的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue 链表结构的阻塞队列,可设定是否有界
SynchronousQueue 不存储元素的阻塞队列,直接将任务提交给线程池执行
PriorityBlockingQueue 支持优先级的无界阻塞队列
DelayQueue 支持延时执行的无界阻塞队列

类型 作用
AbortPolicy 拒绝并抛出异常。默认
CallerRunsPolicy 由提交任务的线程执行任务
DiscardOldestPolicy 抛弃队列头部任务
DiscardPolicy 抛弃该任务

// 提交Runnable
void execute(Runnable command);

// 提交Callable并返回Future
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

// 提交Runnable,执行结束后Future.get会返回result
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

// 提交Runnable,执行结束后Future.get会返回null
Future<?> submit(Runnable task);
// 不再接收新任务,等待剩余任务执行完毕后停止线程池
void shutdown();

// 不再接收新任务,并尝试中断执行中的任务,返回还在等待队列中的任务列表
List<Runnable> shutdownNow();

内置线程池使用

To be useful across a wide range of contexts, this class provieds many adjustable parameters and extensibility hooks. However, programmers are urged to use the more convenient {@link Executors} factory methods {@link Executors#newCachedThreadPool} (unbounded thread poll, with automatic thread reclamation), {@link Executors#newFixedThreadPool} (fixed size thread pool) and {@link Executors#newSingleThreadExecutor}(single background thread), that preconfigure settings for the most common usage scenarios.

由于ThreadPoolExecutor参数复杂,Java提供了三种内置线程池newCachedThreadPoolnewFixedThreadPoolnewSingleThreadExecutor应对大多数场景。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, 
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService new FixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinallizableDelegatedExecutorService(
      (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, 
                                new LinkedBlockQueue<Runnable>()))
    );
}

ThreadPoolExecutor解析

整体设计

ThreadPoolExecutor基于ExecutorService接口实现提交任务,未采取常规资源池获取/归还资源的形式,整个线程池和线程的生命周期都由ThreadPoolExecutor进行管理,线程对象不对外暴露;ThreadPoolExecutor的任务管理机制类似于生产者消费者模型,其内部维护一个任务队列和消费者,一般情况下,任务被提交到队列中,消费线程从队列中拉取任务并将其执行。

线程池生命周期

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; } //计算当前运行状态
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }  //计算当前线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }   //通过状态和线程数生成ctl

TreadPoolExecutor通过ctl维护线程池的状态和线程数量,其中高3位存储运行状态,低29位存储线程数量。

线程池设定了RUNNINGSHUTDOWNSTOPTIDYINGTERMINATED五种状态,其转移图如下:

在这5种状态中,只有RUNNING时线程池可接收新任务,其余4种状态在调用shutDownshutDownNow后触发转换,且在这4种状态时,线程池均不再接收新任务。

任务管理解析

// 用于存放提交任务的队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

// 用于保存池内的工作线程,Java将Thread包装成Worker存储
private final HashSet<Worder> workers = new HashSet<Worker>();

ThreadPoolExecutor主要通过workQueueworkers两个字段用于管理和执行任务。

线程池任务执行流程如图,结合ThreadPoolExecutor.execute源码,对任务执行流程进行说明:

if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
    // 创建新worker执行任务,true表示核心线程
    if (addWorker(command, true))
        return;
    c = ctl.get();
}
// 放入workQueue队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
    int recheck = ctl.get();
    // 这里采用double check再次检测线程池状态
    if (! isRunning(recheck) && remove(command))
        reject(command);
    // 避免加入队列后,所有worker都已被回收无可用线程
    else if (workerCountOf(recheck) == 0)
        addWorker(null, false);
}
// 接上,放入队列失败
// 添加新worker执行任务,false表示非核心线程
else if (!addWorker(command, false))
    // 如添加失败,执行拒绝策略
    reject(command);

woker对象

ThreadPoolExecutor没有直接使用Thread记录线程,而是定义了worker用于包装线程对象。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
    ...
    final Thread thread;
    
    Runnable firstTask;
    
    Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
        this.firstTask = firstTask;
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }
    
    // worker对象被创建后就会执行
    public void run() {
        runWorker(this);
    }
}

worker对象通过addWorker方法创建,一般会为其指定一个初始任务firstTask,当worker执行完毕以后,worker会从阻塞队列中读取任务,如果没有任务,则该worker会陷入阻塞状态给出worker的核心逻辑代码:

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    ...
    // 指定firstTask,可能为null
    w = new Worker(firstTask);
    ...
    if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
            throw new IllegalThreadStateException();
        workers.add(w);
        workerAdded = true;
    }
    ...
    // 执行新添加的worker
    if (workerAdded) {
        t.start();
        workerStarted = true;
    }
}


final void runWorker(Worker w) {
    // 等待workQueue的任务
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
    	...
    }
}

private Runnable getTask() {
    ...
    for (;;) {
        ...
        // 如果是普通工作线程,则根据线程存活时间读取阻塞队列
        // 如果是核心工作线程,则直接陷入阻塞状态,等待workQueue获取任务
        Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
        ...
    }
}

如下图,任务提交后触发addWorker创建worker对象,该对象执行任务完毕后,则循环获取队列中任务等待执行。

Java线程池实践建议

不建议使用Exectuors

线程池不允许使用Executors去创建,而是通过ThreadPoolExecutor的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。《阿里巴巴开发手册》

虽然Java推荐开发者直接使用Executors提供的线程池,但实际开发中通常不使用。主要考虑问题有:

CachedThreadPool将最大数量设置为Integer.MAX_VALUE,如果一直提交任务,可能造成Thread对象过多引起OOMFixedThreadPoolSingleThreadPoo的队列LinkedBlockingQueue无容量限制,阻塞任务过多也可能造成OOM

由于未指定ThreadFactory,线程名称默认为pool-poolNumber-thread-thredNumber,线程出现问题后不便定位具体线程池。

通常在完善的项目中,由于线程是重量资源,因此线程池由统一模块管理,重复创建线程池容易造成资源分散,难以管理。

线程池大小设置

通常按照IO繁忙型和CPU繁忙型任务分别采用以下两个普遍公式。

在理论场景中,如一个任务IO耗时40ms,CPU耗时10ms,那么在IO处理期间,CPU是空闲的,此时还可以处理4个任务(40/10),因此理论上可以按照IO和CPU的时间消耗比设定线程池大小。

《JAVA并发编程实践》中还考虑数量乘以目标CPU的利用率

在实际场景中,我们通常无法准确测算IO和CPU的耗时占比,并且随着流量变化,任务的耗时占比也不能固定。因此可根据业务需求,开设线程池运维接口,根据线上指标动态调整线程池参数。

推荐参考第二篇美团线程池应用

线程池监控

ThreadPoolExecutor提供以下方法监控线程池:

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