多线程开发之线程池
通过Java的线程池技术使得线程得到复用，线程执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务，这样避免了频繁创建线程、销毁线程、线程切换导致的系统资源消耗。
以下是本文的目录大纲：
一.Java中的ThreadPoolExecutor类
二.深入剖析线程池实现原理
三.使用示例
四.如何合理配置线程池的大小
一.Java中的ThreadPoolExecutor类
java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类，因此如果要透彻地了解Java中的线程池，必须先了解这个类。
在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法：
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
.....
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
...
}
下面解释下一下构造器中各个参数的含义：
- corePoolSize：核心池的大小。当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列workQueue中；
- maximumPoolSize：线程池最大线程数，当线程数达到corePoolSize 且任务缓存队列已满则创建新的线程补救，但线程数不能超过maximumPoolSize。
- keepAliveTime：空闲线程最长存活时间。当线程池中的线程数大于corePoolSize时，一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止。
- unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：
- workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务。阻塞队列类型有：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue
- threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
- handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：
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
ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService，AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口，ExecutorService继承了Executor接口。
Executor是一个顶层接口，在它里面只声明了一个方法execute(Runnable)，用来执行传进去的任务的；
然后ExecutorService接口继承了Executor接口，并声明了一些方法：submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等；
抽象类AbstractExecutorService 基本实现了ExecutorService中声明的所有方法；
然后ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService，在ThreadPoolExecutor类中实现了几个非常重要的方法：
execute() submit() shutdown() shutdownNow()
execute()方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。
submit()方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果，实际上还是调用的execute()方法，只不过它利用了Future来获取任务执行结果。
shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务。
shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。
还有很多其他的方法：
比如：getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount()
二.深入剖析线程池实现原理
1.线程池状态
在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：
volatile int runState; static final int RUNNING = 0; static final int SHUTDOWN = 1; static final int STOP = 2; static final int TERMINATED = 3;
runState表示当前线程池的状态，它是一个volatile变量用来保证线程之间的可见性；
下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值。
当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；
如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。
2.任务的执行
在了解将任务提交给线程池到任务执行完毕整个过程之前，我们先来看一下ThreadPoolExecutor类中其他的一些比较重要成员变量：
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();//线程池的主要状态锁，对线程池状态（线程池大小、runState等）的改变都要使用这个锁 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //用来存放工作集 private volatile long keepAliveTime; //线程存活时间 private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut; //是否允许为核心线程设置存活时间 private volatile int corePoolSize; //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列） private volatile int maximumPoolSize; //线程池最大能容忍的线程数 private volatile int poolSize; //线程池中当前的线程数 private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略 private volatile ThreadFactory threadFactory; //线程工厂，用来创建线程 private int largestPoolSize; //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数 private long completedTaskCount; //用来记录已经执行完毕的任务个数
任务提交给线程池之后的处理策略，这里总结一下主要有4点：
- 如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize，则每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务；
- 如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，则每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中，若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行；若添加失败（一般来说是任务缓存队列已满），则会尝试创建新的线程去执行这个任务，但线程数不能超过maximumPoolSize；
- 如果当前线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，则会采取任务拒绝策略进行处理；
- 如果线程池中的线程数量大于 corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；如果允许为核心池中的线程设置存活时间，那么核心池中的线程空闲时间超过keepAliveTime，线程也会被终止。
3.线程池中的线程初始化
默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：（注意传进去的参数是null，最后执行线程会阻塞在getTask方法中的，即等待任务队列中有任务）
//初始化一个核心线程
public boolean prestartCoreThread() { return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null } //初始化所有核心线程 public int prestartAllCoreThreads() { int n = 0; while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null ++n; return n; }
4.任务缓存队列及排队策略
在前面我们多次提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。
workQueue的类型为BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三种类型：
1）ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；
2）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；
3）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。
5.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
6.线程池的关闭
ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：
- shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
- shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
7.线程池容量的动态调整
ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，
- setCorePoolSize：设置核心池大小
- setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小
当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。
三.使用示例
前面我们讨论了关于线程池的实现原理，这一节我们来看一下它的具体使用：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 200, TimeUnit.MILLISECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
for(int i=0;i<15;i++){
MyTask myTask = new MyTask(i);
executor.execute(myTask);
System.out.println("线程池中线程数目："+executor.getPoolSize()+"，队列中等待执行的任务数目："+
executor.getQueue().size()+"，已执行玩别的任务数目："+executor.getCompletedTaskCount());
}
executor.shutdown();
}
}
class MyTask implements Runnable {
private int taskNum;
public MyTask(int num) {
this.taskNum = num;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("正在执行task "+taskNum);
try {
Thread.currentThread().sleep(4000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("task "+taskNum+"执行完毕");
}
}
当线程池中线程的数目大于5时，便将任务放入任务缓存队列里面，当任务缓存队列满了之后，便创建新的线程。若线程数超过maximumPoolSize，就会抛出任务拒绝异常了。
不过在java doc中，并不提倡我们直接使用ThreadPoolExecutor，而是使用Executors类中提供的几个静态方法来创建线程池：
Executors.newCachedThreadPool(); //创建一个缓冲池，缓冲池容量大小为Integer.MAX_VALUE Executors.newSingleThreadExecutor(); //创建容量为1的缓冲池 Executors.newFixedThreadPool(int); //创建固定容量大小的缓冲池
下面是这三个静态方法的具体实现：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
从它们的具体实现来看，它们实际上也是调用了ThreadPoolExecutor，只不过参数都已配置好了。
newFixedThreadPool创建的线程池corePoolSize和maximumPoolSize值是相等的，它使用的LinkedBlockingQueue；
newSingleThreadExecutor将corePoolSize和maximumPoolSize都设置为1，也使用的LinkedBlockingQueue；
newCachedThreadPool将corePoolSize设置为0，将maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，使用的SynchronousQueue，也就是说来了任务就创建线程运行，当线程空闲超过60秒，就销毁线程。
实际中，如果Executors提供的三个静态方法能满足要求，就尽量使用它提供的三个方法，因为自己去手动配置ThreadPoolExecutor的参数有点麻烦，要根据实际任务的类型和数量来进行配置。
另外，如果ThreadPoolExecutor达不到要求，可以自己继承ThreadPoolExecutor类进行重写。
四.如何合理配置线程池的大小
本节来讨论一个比较重要的话题：如何合理配置线程池大小，仅供参考。
一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：
如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1
如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU
当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。
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