【快速学习系列】Java线程池介绍和使用及线程池监控
1、线程池的优势
- 总体来说，线程池有如下的优势：
- （1）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。
- （2）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。
- （3）提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，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的分配，调优和监控。
2、线程池的使用
- 线程池的真正实现类是 ThreadPoolExecutor，其构造方法有如下4种：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
- 可以看到，其需要如下几个参数：
- corePoolSize（必需）：核心线程数。默认情况下，核心线程会一直存活，但是当将 allowCoreThreadTimeout 设置为 true 时，核心线程也会超时回收。
- maximumPoolSize（必需）：线程池所能容纳的最大线程数。当活跃线程数达到该数值后，后续的新任务将会阻塞。
- keepAliveTime（必需）：线程闲置超时时长。如果超过该时长，非核心线程就会被回收。如果将 allowCoreThreadTimeout 设置为 true 时，核心线程也会超时回收。
- unit（必需）：指定 keepAliveTime 参数的时间单位。常用的有：TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MINUTES（分）。
- workQueue（必需）：任务队列。通过线程池的 execute() 方法提交的 Runnable 对象将存储在该参数中。其采用阻塞队列实现。
- threadFactory（可选）：线程工厂。用于指定为线程池创建新线程的方式。
- handler（可选）：拒绝策略。当达到最大线程数时需要执行的饱和策略。
线程池的使用流程如下：
// 创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
MAXIMUM_POOL_SIZE,
KEEP_ALIVE,
TimeUnit.SECONDS,
sPoolWorkQueue,
sThreadFactory);
// 向线程池提交任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
... // 线程执行的任务
}
});
// 关闭线程池
threadPool.shutdown(); // 设置线程池的状态为SHUTDOWN，然后中断所有没有正在执行任务的线程
threadPool.shutdownNow(); // 设置线程池的状态为 STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表3、线程池的工作原理
4、线程池的参数
4.1 任务队列（workQueue）
- 任务队列是基于阻塞队列实现的，即采用生产者消费者模式，在 Java 中需要实现 BlockingQueue 接口。但 Java 已经为我们提供了 7 种阻塞队列的实现：
- ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列（数组结构可配合指针实现一个环形队列）。
- LinkedBlockingQueue： 一个由链表结构组成的有界阻塞队列，在未指明容量时，容量默认为 Integer.MAX_VALUE。
- PriorityBlockingQueue： 一个支持优先级排序的无界阻塞队列，对元素没有要求，可以实现 Comparable 接口也可以提供 Comparator 来对队列中的元素进行比较。跟时间没有任何关系，仅仅是按照优先级取任务。
- DelayQueue：类似于PriorityBlockingQueue，是二叉堆实现的无界优先级阻塞队列。要求元素都实现 Delayed 接口，通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。
- SynchronousQueue： 一个不存储元素的阻塞队列，消费者线程调用 take() 方法的时候就会发生阻塞，直到有一个生产者线程生产了一个元素，消费者线程就可以拿到这个元素并返回；生产者线程调用 put() 方法的时候也会发生阻塞，直到有一个消费者线程消费了一个元素，生产者才会返回。
- LinkedBlockingDeque： 使用双向队列实现的有界双端阻塞队列。双端意味着可以像普通队列一样 FIFO（先进先出），也可以像栈一样 FILO（先进后出）。
- LinkedTransferQueue： 它是ConcurrentLinkedQueue、LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的结合体，但是把它用在 ThreadPoolExecutor 中，和 LinkedBlockingQueue 行为一致，但是是无界的阻塞队列。
- 注意有界队列和无界队列的区别：如果使用有界队列，当队列饱和时并超过最大线程数时就会执行拒绝策略；而如果使用无界队列，因为任务队列永远都可以添加任务，所以设置 maximumPoolSize 没有任何意义。
4.2 线程工厂（threadFactory）
- 线程工厂指定创建线程的方式，需要实现 ThreadFactory 接口，并实现 newThread(Runnable r) 方法。该参数可以不用指定，Executors 框架已经为我们实现了一个默认的线程工厂：
/**
* The default thread factory.
*/
private static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}4.3 拒绝策略（handler）
- 当线程池的线程数达到最大线程数时，需要执行拒绝策略。拒绝策略需要实现 RejectedExecutionHandler 接口，并实现 rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 方法。不过 Executors 框架已经为我们实现了 4 种拒绝策略：
- AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常。
- CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。
- DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常。可以配合这种模式进行自定义的处理方式。
- DiscardOldestPolicy：丢弃队列最早的未处理任务，然后重新尝试执行任务。
public class PolicyTest {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(
2, //核心线程池大小
5, //最大核心线程池大小
3, //超时时间
TimeUnit.SECONDS, //超时单位
new LinkedBlockingDeque<>(3), //阻塞队列 --》 相当于等待区
Executors.defaultThreadFactory(), //线程工厂
//拒绝策略
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() //数量少时 --- 只有核心线程
//数量多时 --- 所有线程都被调用
//数量超出最大容量时会抛出异常
//new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() //超过最大容量由主线程代理
//new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy() //多出来的请求被拒绝策略丢弃
//new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy() //超过最大容量时新请求会把旧请求顶替（也就是依旧还是运行了最大容量的线程数）
);
try {
//最大容量 = 阻塞队列大小 + 最大核心线程池大小
for (int i = 1; i <= 9; i++) {
//在execute中丢入一个Runnable
//使用线程池来创建线程
threadPool.execute(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
});
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//使用完毕后，程序结束，关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
}5、功能线程池
- 嫌上面使用线程池的方法太麻烦？其实Executors已经为我们封装好了 4 种常见的功能线程池，如下：
- 定长线程池（FixedThreadPool）
- 定时线程池（ScheduledThreadPool ）
- 可缓存线程池（CachedThreadPool）
- 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）
5.1 定长线程池（FixedThreadPool）
创建方法的源码：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), threadFactory); }
* **特点**：只有核心线程，线程数量固定，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
* **应用场景**：控制线程最大并发数。
使用示例：
```java
/**
* 定长线程池（FixedThreadPool）使用示例
*/
public class Demo1 {
/**
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
//1、创建定长线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为3
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
//2、创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("开始执行任务...");
}
};
//3、向线程池提交任务
fixedThreadPool.execute(task);
}
}
5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool）
创建方法的源码：
private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
ThreadFactory threadFactory) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
}
- 特点：核心线程数量固定，非核心线程数量无限，执行完闲置 10ms 后回收，任务队列为延时阻塞队列。
- 应用场景：执行定时或周期性的任务。
使用示例：
/**
* 定时线程池（ScheduledThreadPool）使用示例
*/
public class Demo2 {
/**
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
//1、创建定时线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为5
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
//2、创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("开始执行任务...");
}
};
//3、向线程池提交任务
scheduledThreadPool.schedule(task, 1, TimeUnit.SECONDS); //延迟1s后执行任务
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(task, 10, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS); //延迟10ms后，每隔1000ms执行任务
}
}5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool）
创建方法的源码：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>(),
threadFactory);
}
- 特点：无核心线程，非核心线程数量无限，执行完闲置 60s 后回收，任务队列为不存储元素的阻塞队列。
- 应用场景：执行大量、耗时少的任务。
使用示例：
/**
* 可缓存线程池（CachedThreadPool）使用示例
*/
public class Demo3 {
/**
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
//1、创建可缓存线程池对象
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
//2、创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("开始执行任务...");
}
};
//3、向线程池提交任务
cachedThreadPool.execute(task);
}
}5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）
创建方法的源码：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
threadFactory));
}
- 特点：只有 1 个核心线程，无非核心线程，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
- 应用场景：不适合并发但可能引起 IO 阻塞性及影响 UI 线程响应的操作，如数据库操作、文件操作等。
使用示例：
/**
* 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）使用示例
*/
public class Demo4 {
/**
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
//1、创建单线程化线程池
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
//2、创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("开始执行任务...");
}
};
//3、向线程池提交任务
singleThreadExecutor.execute(task);
}
}总结：
- Executors 的 4 个功能线程池虽然方便，但现在已经不建议使用了，而是建议直接通过使用 ThreadPoolExecutor 的方式，规避资源耗尽的风险。
其实 Executors 的 4 个功能线程有如下弊端：
FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor：主要问题是堆积的请求处理队列均采用 LinkedBlockingQueue，可能会耗费非常大的内存，甚至 OOM。
CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool：主要问题是线程数最大数是 Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至 OOM。
6、线程池监控
如果系统中大量用到了线程池，那么我们有必要对线程池进行监控。利用监控，我们能在问题出现前提前感知到，也可以根据监控信息来定位可能出现的问题。
首先，ThreadPoolExecutor自带了一些方法：
long getTaskCount()，获取正在执行的任务数long getCompletedTaskCount()，获取已经执行的任务数int getLargestPoolSize()，获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过int getPoolSize()，获取线程池线程数int getActiveCount()，获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）int getQueue().size()，获取任务队列中排队的线程数
public class MonitorTest1 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(5, 20, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(80)) {};
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
executor.submit(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
});
}
ThreadPoolExecutor tpe = ((ThreadPoolExecutor) executor);
while (true) {
System.out.println();
//int getPoolSize()，获取线程池线程数
int getPoolSize = tpe.getPoolSize();
System.out.println("线程池线程数：" + getPoolSize);
//int getQueue().size()，获取任务队列中排队的线程数
int queueSize = tpe.getQueue().size();
System.out.println("当前排队线程数：" + queueSize);
//int getActiveCount()，获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）
int activeCount = tpe.getActiveCount();
System.out.println("当前活动线程数：" + activeCount);
//long getCompletedTaskCount()，获取已经执行的任务数
long completedTaskCount = tpe.getCompletedTaskCount();
System.out.println("执行完成线程数：" + completedTaskCount);
//int getLargestPoolSize()，获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过
int getLargestPoolSize = tpe.getLargestPoolSize();
if (getLargestPoolSize == ((ThreadPoolExecutor) executor).getMaximumPoolSize()) {
System.out.println("线程池曾满过");
} else {
System.out.println("线程池未曾满过");
}
//long getTaskCount()，获取已经执行或正在执行的任务数
long taskCount = tpe.getTaskCount();
System.out.println("总线程数（排队线程数 + 活动线程数 + 执行完成线程数）：" + taskCount);
Thread.sleep(3000);
}
}
}其次，ThreadPoolExecutor留给我们自行处理的方法有3个，它在ThreadPoolExecutor中为空实现（也就是什么都不做）。
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r)// 任务执行前被调用protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t)// 任务执行后被调用protected void terminated()// 线程池结束后被调用
public class MonitorTest {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(1, 5, 1, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(5)) {
@Override protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
System.out.println("线程："+Thread.currentThread().getName()+"任务执行前被调用...");
}
@Override protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
System.out.println("线程："+Thread.currentThread().getName()+"任务执行后被调用...");
}
@Override protected void terminated() {
System.out.println("线程池结束后被调用...");
}
};
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
executor.submit(() -> System.out.println("线程："+Thread.currentThread().getName()+"正在执行任务..."));
}
executor.shutdown();
}
}
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