深入理解Java线程池

在开发过程中，合理地使用线程池能够带来至少以下几个好处。

• 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。

• 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。

• 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制地创建，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分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须了解其实现原理。

• 代码解耦：比如生产者消费者模式。

线程池实现原理

当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

1. 如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

2. 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。

3. 如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤也需要获取全局锁）。

4. 如果创建新线程将使当前运行的线程数超出maximumPoolSize，该任务将被拒绝，并调用相应的拒绝策略来处理（RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法，线程池默认的饱和策略是AbortPolicy，也就是抛异常）。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

线程池任务 拒绝策略包括 抛异常、直接丢弃、丢弃队列中最老的任务、将任务分发给调用线程处理。

线程池的创建：通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

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

创建一个线程池时需要输入以下几个参数：

• 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，等到线程池的线程数等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。

• maximumPoolSize（线程池最大数量）：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。

• 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）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

• 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界阻塞队列。

线程的状态

在HotSpot VM线程模型中，Java线程被一对一映射到本地系统线程，Java线程启动时会创建一个本地系统线程；当Java线程终止时，这个本地系统线程也会被回收。操作系统调度所有线程并把它们分配给可用的CPU。

thread运行周期中，有以下6种状态，在 java.lang.Thread.State 中有详细定义和说明：

// Thread类
public enum State {
    /**
     * 刚创建尚未运行
     */
    NEW,

    /**
     * 可运行状态，该状态表示正在JVM中处于运行状态，不过有可能是在等待其他资源，比如CPU时间片，IO等待
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * 阻塞状态表示等待monitor锁（阻塞在等待monitor锁或者在调用Object.wait方法后重新进入synchronized块时阻塞）
     */
    BLOCKED,

    /**
     * 等待状态，发生在调用Object.wait、Thread.join (with no timeout)、LockSupport.park
     * 表示当前线程在等待另一个线程执行某种动作，比如Object.notify()、Object.notifyAll()，Thread.join表示等待线程执行完成
     */
    WAITING,

    /**
     * 超时等待，发生在调用Thread.sleep、Object.wait、Thread.join (in timeout)、LockSupport.parkNanos、LockSupport.parkUntil
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     *线程已执行完成，终止状态
     */
    TERMINATED;
}

线程池操作

向线程池提交任务，可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。execute()方法用于提交不需要返回值的任务，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
    }
});

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，通过future的get()方法来获取返回值，future的get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务还没有执行完。

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();
}

合理配置线程池

要想合理配置线程池，必须先分析任务的特点，可以从以下几个角度分析：

• 任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。

• 任务的优先级：高、中和低。

• 任务的执行时间：长、中和短。

• 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能少的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。由于IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置多一点线程，如2*Ncpu。混合型的任务，如果可以拆分，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量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。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，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

线程池中线程数量未达到coreSize时，这些线程处于什么状态？

这些线程处于RUNNING或者WAITING，RUNNING表示线程处于运行当中，WAITING表示线程阻塞等待在阻塞队列上。当一个task submit给线程池时，如果当前线程池线程数量还未达到coreSize时，会创建线程执行task，否则将任务提交给阻塞队列，然后触发线程执行。（从submit内部调用的代码也可以看出来）

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor和ThreadPoolExecutor的区别是，ThreadPoolExecutor获取任务时是从BlockingQueue中获取的，而ScheduledThreadPoolExecutor是从DelayedWorkQueue中获取的（注意，DelayedWorkQueue是BlockingQueue的实现类）。

ScheduledThreadPoolExecutor把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中，其中ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量：

1. sequenceNumber：任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号；

2. time：任务将要被执行的具体时间；

3. period：任务执行的间隔周期。

ScheduledThreadPoolExecutor会把待执行的任务放到工作队列DelayQueue中，DelayQueue封装了一个PriorityQueue，PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序，具体的排序比较算法实现如下：

ScheduledFutureTask在DelayQueue中被保存在一个PriorityQueue（基于数组实现的优先队列，类似于堆排序中的优先队列）中，在往数组中添加/移除元素时，会调用siftDown/siftUp来进行元素的重排序，保证元素的优先级顺序。

static class DelayedWorkQueue extends AbstractQueue<Runnable>
    implements BlockingQueue<Runnable> {

    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private RunnableScheduledFuture<?>[] queue =
        new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int size = 0;

    private Thread leader = null;
    private final Condition available = lock.newCondition();
}

从DelayQueue获取任务的主要逻辑就在take()方法中，首选获取lock，然后获取queue[0]，如果为null则await等待任务的来临，如果非null查看任务是否到期，是的话就执行该任务，否则再次await等待。这里有一个leader变量，用来表示当前进行awaitNanos等待的线程，如果leader非null，表示已经有其他线程在进行awaitNanos等待，自己await等待，否则自己进行awaitNanos等待。

// DelayedWorkQueue
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return finishPoll(first);
                first = null; // don't retain ref while waiting
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && queue[0] != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

获取到任务之后，就会执行task的run()方法了，即ScheduledFutureTask.run()：

public void run() {
    boolean periodic = isPeriodic();
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
        cancel(false);
    else if (!periodic)
        ScheduledFutureTask.super.run();
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
        setNextRunTime();
        reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}