Executor与线程池

虽然在 Java 语言中创建线程看上去就像创建一个对象一样简单,只需要 new Thread() 就可以了,但实际上创建线程远不是创建一个对象那么简单。创建对象,仅仅是在 JVM 的堆里分配一块内存而已;而创建一个线程,却需要调用操作系统内核的 API,然后操作系统要为线程分配一系列的资源,这个成本就很高了,所以线程是一个重量级的对象,应该避免频繁创建和销毁。所以通常采用线程池方式来提高线程的利用率。

线程池

线程池是一个很普遍的需求,所以 Java SDK 并发包自然也少不了它。但是很多人在初次接触并发包里线程池相关的工具类时,多少会都有点蒙,不知道该从哪里入手,我觉得根本原因在于线程池和一般意义上的池化资源是不同的。一般意义上的池化资源,都是下面这样,当你需要资源的时候就调用 acquire() 方法来申请资源,用完之后就调用 release() 释放资源。若你带着这个固有模型来看并发包里线程池相关的工具类时,会很遗憾地发现它们完全匹配不上,Java 提供的线程池里面压根就没有申请线程和释放线程的方法。

class XXXPool{
  // 获取池化资源
  XXX acquire() {
  }
  // 释放池化资源
  void release(XXX x){
  }
}  

线程池是一种生产者 - 消费者模式

为什么线程池没有采用一般意义上池化资源的设计方法呢?如果线程池采用一般意义上池化资源的设计方法,应该是下面示例代码这样。你可以来思考一下,假设我们获取到一个空闲线程 T1,然后该如何使用 T1 呢?你期望的可能是这样:通过调用 T1 的 execute() 方法,传入一个 Runnable 对象来执行具体业务逻辑,就像通过构造函数 Thread(Runnable target) 创建线程一样。可惜的是,你翻遍 Thread 对象的所有方法,都不存在类似 execute(Runnable target) 这样的公共方法。

//采用一般意义上池化资源的设计方法
class ThreadPool{
  // 获取空闲线程
  Thread acquire() {
  }
  // 释放线程
  void release(Thread t){
  }
} 
//期望的使用
ThreadPool pool;
Thread T1=pool.acquire();
//传入Runnable对象
T1.execute(()->{
  //具体业务逻辑
  ......
});

所以,线程池的设计,没有办法直接采用一般意义上池化资源的设计方法。那线程池该如何设计呢?目前业界线程池的设计,普遍采用的都是生产者 - 消费者模式。线程池的使用方是生产者,线程池本身是消费者。在下面的示例代码中,我们创建了一个非常简单的线程池 MyThreadPool,你可以通过它来理解线程池的工作原理。

//简化的线程池,仅用来说明工作原理
class MyThreadPool{
  //利用阻塞队列实现生产者-消费者模式
  BlockingQueue<Runnable> workQueue;
  //保存内部工作线程
  List<WorkerThread> threads = new ArrayList<>();
  // 构造方法
  MyThreadPool(int poolSize, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue){
    this.workQueue = workQueue;
    // 创建工作线程
    for(int idx=0; idx<poolSize; idx++){
      WorkerThread work = new WorkerThread();
      work.start();
      threads.add(work);
    }
  }
  // 提交任务
  void execute(Runnable command){
    workQueue.put(command);
  }
  // 工作线程负责消费任务,并执行任务
  class WorkerThread extends Thread{
    public void run() {
      //循环取任务并执行
      while(true){                  (1)
        Runnable task = workQueue.take();
        task.run();
      } 
    }
  }  
}


/** 下面是使用示例 **/
// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池  
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(
  10, workQueue);
// 提交任务  
pool.execute(()->{
    System.out.println("hello");
});

在 MyThreadPool 的内部,我们维护了一个阻塞队列 workQueue 和一组工作线程,工作线程的个数由构造函数中的 poolSize 来指定。用户通过调用 execute() 方法来提交 Runnable 任务,execute() 方法的内部实现仅仅是将任务加入到 workQueue 中。MyThreadPool 内部维护的工作线程会消费 workQueue 中的任务并执行任务,相关的代码就是代码①处的 while 循环。线程池主要的工作原理就这些,是不是还挺简单的?

如何使用 Java 中的线程池

Java 并发包里提供的线程池,远比我们上面的示例代码强大得多,当然也复杂得多。Java 提供的线程池相关的工具类中,最核心的是 ThreadPoolExecutor,通过名字你也能看出来,它强调的是 Executor,而不是一般意义上的池化资源。
ThreadPoolExecutor 的构造函数非常复杂,如下面代码所示,这个最完备的构造函数有 7 个参数。

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

下面我们一一介绍这些参数的意义,你可以把线程池类比为一个项目组,而线程就是项目组的成员。
corePoolSize:表示线程池保有的最小线程数。有些项目很闲,但是也不能把人都撤了,至少要留 corePoolSize 个人坚守阵地。
maximumPoolSize:表示线程池创建的最大线程数。当项目很忙时,就需要加人,但是也不能无限制地加,最多就加到 maximumPoolSize 个人。当项目闲下来时,就要撤人了,最多能撤到 corePoolSize 个人。
keepAliveTime & unit:上面提到项目根据忙闲来增减人员,那在编程世界里,如何定义忙和闲呢?很简单,一个线程如果在一段时间内,都没有执行任务,说明很闲,keepAliveTime 和 unit 就是用来定义这个“一段时间”的参数。也就是说,如果一个线程空闲了keepAliveTime & unit这么久,而且线程池的线程数大于 corePoolSize ,那么这个空闲的线程就要被回收了。
workQueue:工作队列,和上面示例代码的工作队列同义。
threadFactory:通过这个参数你可以自定义如何创建线程,例如你可以给线程指定一个有意义的名字。
handler:通过这个参数你可以自定义任务的拒绝策略。如果线程池中所有的线程都在忙碌,并且工作队列也满了(前提是工作队列是有界队列),那么此时提交任务,线程池就会拒绝接收。至于拒绝的策略,你可以通过 handler 这个参数来指定。ThreadPoolExecutor 已经提供了以下 4 种策略。
CallerRunsPolicy:提交任务的线程自己去执行该任务。
AbortPolicy:默认的拒绝策略,会 throws RejectedExecutionException。
DiscardPolicy:直接丢弃任务,没有任何异常抛出。
DiscardOldestPolicy:丢弃最老的任务,其实就是把最早进入工作队列的任务丢弃,然后把新任务加入到工作队列。
Java 在 1.6 版本还增加了 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 方法,它可以让所有线程都支持超时,这意味着如果项目很闲,就会将项目组的成员都撤走。

线程池注意事项

考虑到 ThreadPoolExecutor 的构造函数实在是有些复杂,所以 Java 并发包里提供了一个线程池的静态工厂类 Executors,利用 Executors 你可以快速创建线程池。不过目前大厂的编码规范中基本上都不建议使用 Executors 了,所以这里我就不再花篇幅介绍了。
不建议使用 Executors 的最重要的原因是:Executors 提供的很多方法默认使用的都是无界的 LinkedBlockingQueue,高负载情境下,无界队列很容易导致 OOM,而 OOM 会导致所有请求都无法处理,这是致命问题。所以强烈建议使用有界队列。
使用有界队列,当任务过多时,线程池会触发执行拒绝策略,线程池默认的拒绝策略会 throw RejectedExecutionException 这是个运行时异常,对于运行时异常编译器并不强制 catch 它,所以开发人员很容易忽略。因此默认拒绝策略要慎重使用。如果线程池处理的任务非常重要,建议自定义自己的拒绝策略;并且在实际工作中,自定义的拒绝策略往往和降级策略配合使用。
使用线程池,还要注意异常处理的问题,例如通过 ThreadPoolExecutor 对象的 execute() 方法提交任务时,如果任务在执行的过程中出现运行时异常,会导致执行任务的线程终止;不过,最致命的是任务虽然异常了,但是你却获取不到任何通知,这会让你误以为任务都执行得很正常。虽然线程池提供了很多用于异常处理的方法,但是最稳妥和简单的方案还是捕获所有异常并按需处理,你可以参考下面的示例代码。

try {
  //业务逻辑
} catch (RuntimeException x) {
  //按需处理
} catch (Throwable x) {
  //按需处理
} 

总结

线程池在 Java 并发编程领域非常重要,很多大厂的编码规范都要求必须通过线程池来管理线程。线程池和普通的池化资源有很大不同,线程池实际上是生产者 - 消费者模式的一种实现,理解生产者 - 消费者模式是理解线程池的关键所在。
创建线程池设置合适的线程数非常重要。另外《Java 并发编程实战》的第 7 章《取消与关闭》的 7.3 节“处理非正常的线程终止” 详细介绍了异常处理的方案,第 8 章《线程池的使用》对线程池的使用也有更深入的介绍,如果你感兴趣或有需要的话,建议你仔细阅读。

参考

java线程池
java线程池使用

posted @ 2020-01-29 21:03  被罚站的树  阅读(127)  评论(0编辑  收藏  举报