Java线程池总结

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前一篇文章Java中实现多线程关键词整理中介绍了Java中创建多线程的各种办法，里面提到了线程池，这里对Java中的线程池做一个总结。

1. 关于ThreadPoolExecutor

为了更好地控制多线程，JDK提供了一套Executor框架，帮助开发人员有效的进行线程控制，其本质就是一个线程池。其中ThreadPoolExecutor是线程池中最核心的一个类，后面提到的四种线程池都是基于ThreadPoolExecutor实现的。

ThreadPoolExecutor提供了四个构造方法，我们看下最重要的一个构造函数：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,

                              int maximumPoolSize,

                              long keepAliveTime,TimeUnit unit,

                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,

                              ThreadFactory threadFactory,

                              RejectedExecutionHandler handler);

}

函数的参数含义如下：

corePoolSize：线程池维护线程的最少数量
maximumPoolSize：线程池维护线程的最大数量
keepAliveTime：线程池维护线程所允许的空闲时间
unit：线程池维护线程所允许的空闲时间的单位
workQueue：线程池所使用的缓冲队列
handler：线程池对拒绝任务的处理策略

线程池执行的过程：

线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面有任务，线程池也不会马上执行它们。
当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：

a. 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；

b. 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列。

c. 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建线程运行这个任务；

d. 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常，告诉调用者“我不能再接受任务了”。
当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

ThreadPoolExecutor的继承关系：

![](http://images2015.cnblogs.com/blog/658141/201705/658141-20170514011255769-720738172.png)

ThreadPoolExecutor中的队列：

ThreadPoolExecutor内部应用了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。

workQueue的类型为BlockingQueue，通常可以取下面三种类型：

ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；
LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；
synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

任务拒绝策略：

当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

扩展线程池（记录任务执行日志）：

在默认的ThreadPoolExecutor实现中，提供了空的beforeExecutor和afterExecutor的实现，在实际应用中可以对其进行扩展来实现对线程池运行状态的追踪，输出一些有用的调试信息，以帮助系统故障诊断，这对于多线程程序错误排查是很有帮助的。

ThreadPoolExecutor例子：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

import java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler;

import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class ThreadPool {

	private int corePoolSize = 1; // 线程池维护线程的最少数量

	private int maximumPoolSize = 10;// 线程池维护线程的最大数量

	private long keepAliveTime = 3; // 线程池维护线程所允许的空闲时间

	private TimeUnit unit = TimeUnit.SECONDS;// 线程池维护线程所允许的空闲时间的单位

	private BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 线程池所使用的缓冲队列

	private RejectedExecutionHandler handler; // 线程池对拒绝任务的处理策略

	private static AtomicLong along = new AtomicLong(0);

	public void run() throws InterruptedException {

		ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize,

				maximumPoolSize, keepAliveTime, unit,

				new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),

				new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()) {

			// 线程执行之前运行

			@Override

			protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {

				System.out.println("...............beforeExecute");

			}

			// 线程执行之后运行

			@Override

			protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {

				System.out.println("...............afterExecute");

			}

			// 整个线程池停止之后

			protected void terminated() {

				System.out.println("...............thread stop");

			}

		};

		for (int i = 1; i <= 10; i++) {

			pool.execute(new ThreadPoolTask(i, along));

		}

		for (int i = 1; i <= 10; i++) {

			pool.execute(new ThreadPoolTask(-i, along));

		}

		pool.shutdown();

		Thread.sleep(25000);

		System.out.println(along.get());

	}

	public static void main(String[] args) {

		try {

			new ThreadPool().run();

		} catch (InterruptedException e) {

			e.printStackTrace();

		}

	}

}

class ThreadPoolTask implements Runnable {

	private int i = 0;

	private AtomicLong along;

	ThreadPoolTask(int i, AtomicLong along) {

		this.i = i;

		this.along = along;

	}

	@Override

	public void run() {

		try {

			// 模拟业务逻辑

			Thread.sleep(1000);

			along.addAndGet(i);

		} catch (InterruptedException e) {

			e.printStackTrace();

		}

		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  " + i);

	}

}

我们可以利用这个特性实现在线程池中打印出异常堆栈信息（正常是不会打印出来的），这里就不演示了。

2. 关于Executors提供的四种线程池

Executors 提供了一系列工厂方法用于创先线程池，返回的线程池都实现了 ExecutorService 接口。

// 创建固定数目线程的线程池。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)

// 创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。

// 如果现有线程没有可用的，则创建一个新线 程并添加到池中。

// 终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

public static ExecutorService newCachedThreadPool()

// 创建一个单线程化的Executor。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()

// 创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

这四种方法都是用的 Executors 中的 ThreadFactory 建立的线程。

newCachedThreadPool()

缓存型池子，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就 reuse 如果没有，就建一个新的线程加入池中
缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务因此在一些面向连接的 daemon 型 SERVER 中用得不多。但对于生存期短的异步任务，它是 Executor 的首选。
能 reuse 的线程，必须是 timeout IDLE 内的池中线程，缺省 timeout 是 60s,超过这个 IDLE 时长，线程实例将被终止及移出池。

newFixedThreadPool(int)

newFixedThreadPool 与 cacheThreadPool 差不多，也是能 reuse 就用，但不能随时建新的线程。
其独特之处:任意时间点，最多只能有固定数目的活动线程存在，此时如果有新的线程要建立，只能放在另外的队列中等待，直到当前的线程中某个线程终止直接被移出池子。
和 cacheThreadPool 不同，FixedThreadPool 没有 IDLE 机制（可能也有，但既然文档没提，肯定非常长，类似依赖上层的 TCP 或 UDP IDLE 机制之类的），所以 FixedThreadPool 多数针对一些很稳定很固定的正规并发线程，多用于服务器。
从方法的源代码看，cache池和fixed 池调用的是同一个底层池，只不过参数不同:
- fixed 池线程数固定，并且是0秒IDLE（无IDLE）。
- cache 池线程数支持 0-Integer.MAX_VALUE(显然完全没考虑主机的资源承受能力），60 秒 IDLE 。

newScheduledThreadPool(int)

调度型线程池
这个池子里的线程可以按 schedule 依次 delay 执行，或周期执行

SingleThreadExecutor()

单例线程，任意时间池中只能有一个线程
用的是和 cache 池和 fixed 池相同的底层池，但线程数目是 1-1,0 秒 IDLE（无 IDLE）

一般来说，CachedTheadPool 在程序执行过程中通常会创建与所需数量相同的线程，然后在它回收旧线程时停止创建新线程，因此它是合理的 Executor 的首选，只有当这种方式会引发问题时（比如需要大量长时间面向连接的线程时），才需要考虑用 FixedThreadPool。

----《Thinking in Java》第四版

以上引用自极客学院，总结的太精彩了。

3. Spring中的线程池管理

Spring的TaskExecutor接口等同于java.util.concurrent.Executor接口。实际上，它存在的主要原因是为了在使用线程池的时候，将对Java 5的依赖抽象出来。这个接口只有一个方法execute(Runnable task)，它根据线程池的语义和配置，来接受一个执行任务。最初创建TaskExecutor是为了在需要时给其他Spring组件提供一个线程池的抽象。例如ApplicationEventMulticaster组件、JMS的 AbstractMessageListenerContainer和对Quartz的整合都使用了TaskExecutor抽象来提供线程池。当然，如果你的bean需要线程池行为，你也可以使用这个抽象层。

介绍下使用比较多的ThreadPoolTaskExecutor 类，这个实现只能在Java 5以上环境使用（现在应该没有低于1.5的老环境了吧~），它暴露的bean properties可以用来配置一个java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor，把它包装到一个TaskExecutor中。

spring中ThreadPoolTaskExecutor最常用方式就是做为BEAN注入到容器中,其暴露的各个属性其实是ThreadPoolExecutor的属性，而且这体现了DI容器的优势：

<bean id="threadPoolTaskExecutor" class="org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor">

    <property name="corePoolSize" value="2"/>

    <property name="keepAliveSeconds" value="200"/>

    <property name="maxPoolSize" value="10"/>

    <property name="queueCapacity" value="60"/>

</bean>

4. 优化线程池线程数量

线程池的理想大小取决于被提交任务的类型以及所部署系统的特性。在代码中不会固定线程池的大小，而应该通过某种配置机制来来提供，或者根据Runtime.getRuntime().availableProcessors()来动态计算。

如果一台服务器上只部署这一个应用并且只有一个线程池（N为CPU总核数）：

如果是CPU密集型应用，则线程池大小设置为N+1
如果是IO密集型应用，则线程池大小设置为2N+1

线程等待时间所占比例越高，需要越多线程。线程CPU时间所占比例越高，需要越少线程。

【黄金公式】最佳线程数目 = （线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1）* CPU数目

一个实际的计算过程（慕课网）：

假设值

tasks ：每秒的任务数，假设为500~1000
taskcost：每个任务花费时间，假设为0.1s
responsetime：系统允许容忍的最大响应时间，假设为1s

计算

corePoolSize = 每秒需要多少个线程处理？

threadcount = tasks/(1/taskcost) =tasks taskcout = (500~1000) 0.1 = 50~100 个线程。corePoolSize设置应该大于50

根据8020原则，如果80%的每秒任务数小于800，那么corePoolSize设置为80即可

queueCapacity = (coreSizePool/taskcost)*responsetime

计算可得 queueCapacity = 80/0.1*1 = 80。意思是队列里的线程可以等待1s，超过了的需要新开线程来执行

切记不能设置为Integer.MAX_VALUE，这样队列会很大，线程数只会保持在corePoolSize大小，当任务陡增时，不能新开线程来执行，响应时间会随之陡增。

maxPoolSize = (max(tasks)- queueCapacity)/(1/taskcost)

计算可得 maxPoolSize = (1000-80)/10 = 92

(最大任务数-队列容量)/每个线程每秒处理能力 = 最大线程数

rejectedExecutionHandler ：根据具体情况来决定，任务不重要可丢弃，任务重要则要利用一些缓冲机制来处理
keepAliveTime 和 allowCoreThreadTimeout 采用默认通常能满足

参考博文：

Java并发编程：线程池的使用

线程池ThreadPoolExecutor使用简介

参考书籍：

《Java并发编程实战》

《Java高并发程序设计》

正文

1. 关于ThreadPoolExecutor

2. 关于Executors提供的四种线程池

3. Spring中的线程池管理

4. 优化线程池线程数量

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