线程池的好处有哪些，如何创建线程池你都真正熟悉吗？

一、线程池的好处

线程使应用能够更加充分合理的协调利用cpu 、内存、网络、i/o等系统资源。

线程的创建需要开辟虚拟机栈，本地方法栈、程序计数器等线程私有的内存空间。

在线程的销毁时需要回收这些系统资源。频繁的创建和销毁线程会浪费大量的系统资源，增加并发编程的风险。

另外，在服务器负载过大的时候，如何让新的线程等待或者友好的拒绝服务？这些丢失线程自身无法解决的。所以需要通过线程池协调多个线程，并实现类似主次线程隔离、定时执行、周期执行等任务。线程池的作用包括：

  • 利用线程池管理并复用线程、控制最大并发数等。

  • 实现任务线程队列缓存策略和拒绝机制。

  • 实现某些与时间相关的功能，如定时执行、周期执行等。

  • 隔离线程环境。比如，交易服务和搜索服务在同一台服务器上，分别开启两个线程池，交易线程的资源消耗明显要大；因此，通过配置独立的线程池，将较慢的交易服务与搜索服务隔开，避免个服务线程互相影响。

二、如何创建线程池

在了解线程池的基本作用后，我们学习一下线程池是如何创建线程的。首先从ThreadPoolExecutor构造方法讲起，学习如何定义ThreadFectory和RejectExecutionHandler,并编写一个最简单的线程池示例。然后，通过分析ThreadPoolExecutor的execute和addWorker两个核心方法，学习如何把任务线程加入到线程池中运行。ThreadPoolExecutor的构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(
                              int corePoolSize,        //第1个参数
                              int maximumPoolSize, //第2个参数
                              long keepAliveTime, //第3个参数
                              TimeUnit unit, //第4个参数
                              BlockingQueueworkQueue, //第5个参数
                              ThreadFactory threadFactory, //第6个参数
                              RejectedExecutionHandler handler) { //第7个参数
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 || 
        maximumPoolSize < corePoolSize || 
        keepAliveTime < 0) // 第一处
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)//第二处
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

  • 第1个参数 ：corePoolSize 表示常驻核心线程数。如果等于0，则任务执行完成后，没有任何请求进入时销毁线程池的线程；如果大于0，即使本地任务执行完毕，核心线程也不会被销毁。这个值的设置非常关键，设置过大会浪费资源，设置的过小会导致线程频繁地创建或销毁。

  • 第2个参数：maximumPoolSize 表示线程池能够容纳同时执行的最大线程数。从上方的示例代码中第一处来看，必须大于或等于1。如果待执行的线程数大于此值，需要借助第5个参数的帮助。缓存在队列中。如果maximumPoolSize 与corePoolSize 相等，即是固定大小线程池。

  • 第3个参数：keepAliveTime 表示线程池中的线程空闲时间，当空闲时间达到KeepAliveTime 值时，线程被销毁，直到剩下corePoolSize 个线程为止，避免浪费内存和句柄资源。在默认情况下，当线程池的线程大于corePoolSize 时，keepAliveTime 才会起作用。但是ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut 变量设置为ture时，核心线程超时后也会被回收。

  • 第4个参数：TimeUnit 表示时间单位。keepAliveTime 的时间单位通常是TimeUnit.SECONDS。

  • 第5个参数: workQueue 表示缓存队列。当请求的线程数大于maximumPoolSize时，线程进入BlockingQueue 阻塞队列。后续示例代码中使用的LinkedBlockingQueue 是单向链表，使用锁来控制入队和出对的原子性，两个锁分别控制元素的添加和获取，是一个生产消费模型队列。

  • 第6个参数：threadFactory 表示线程工厂。它用来生产一组相同任务的线程。线程池的命名是通过给这个factory增加组名前缀来实现的。在虚拟机栈分析时，就可以知道线程任务是由哪个线程工厂产生的。

  • 第7个参数：handler 表示执行拒绝策略的对象。当超过第5个参数workQueue的任务缓存区上限的时候，就可以通过该策略处理请求，这是一种简单的限流保护。友好的拒绝策略可以使如下三种：

  1. 保存到数据库进行削峰填谷。在空闲的时候再拿出来执行。
  2. 转向某个提示页面。
  3. 打印日志。

从代码第2处来看，队列、线程工程、拒绝处理服务都必须有实例对象，但在实际编码中，很少有程序员对着三者进行实例化，而通过Executors这个线程池静态工厂提供默认实现，那么Executors与ThreadPoolExecutor 是什么关系呢？线程池相关的类图

ExecutorService接口继承了Executor接口，定义了管理线程任务的方法。

ExecutorService 的抽象类AbstractExecutorService 提供了 submit()、invokeAll()等部分方法的实现，但是核心方法Executor.execute() 并没有在这里实现。因为所有的任务都在这个方法里执行，不同的实现会带来不同的执行策略，这一点在后续的ThreadPoolExecutor解析时，会一步步分析。通过Executor的静态工厂方法可以创建三个线程池的包装对象：ForkJoinPool、ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor。Executors核心方法有5个：

  • Executors.newWorkStealingPo****ol：JDK8 引入，创建持有足够线程的线程池，支持给定的并行堵，并通过使用对个队列减少竞争，此构造方法中把cpu的数量设置为模型的并行度：
/**
   * Creates a work-stealing thread pool using all
   * {@link Runtime#availableProcessors available processors}
   * as its target parallelism level.
   * @return the newly created thread pool
   * @see #newWorkStealingPool(int)
   * @since 1.8
   */
  public static ExecutorService newWorkStealingPool() {
      return new ForkJoinPool
          (Runtime.getRuntime().availableProcessors(),
           ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
           null, true);
  }

  • **Executors.newCachedThreadPool**** : **maximumPoolSize 最大可以至Integer.MAX_VALUE,是高度可以伸缩的线程池，如果达到这个上限，相信没有任何服务器能够继续工作，肯定会抛出OOM异常。keepAliveTime默认为60秒，工作线程处于空闲状态，则回收工作线程。如果任务书增加，再次创建新的线程处理任务。

  • Executors.new ScheduledThreadPool: 线程最大至Integer.MAX_VALUE ,与上述相同，存在OOM风险。它是ScheduledExecutorService 接口家族的实现类，支持定时及周期性任务执行。相比Timer,ScheduledExextuorService 更安全，功能更强大，与newCachedThreadExecutor 的区别是不回收工作线程。

  • Executors.newSingleThreadExecutor:创建一个单线程的线程池，相当月单线程串行执行所有任务，保证按任务提交的顺序依次执行。

  • **Executors.newFixedThreadPool: **输入的参数即是固定线程数，既是核心线程数也是最大线程数，不存在空闲线程，所有keepAliveTime 等于0：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                     new LinkedBlockingQueue());
}

这里，输入的队列没有指明长度，下面介绍LinkedBlockingQueue的构造方法。

public LinkedBlockingQueue() {
   this(Integer.MAX_VALUE);
}

使用这样的无界队列，如果瞬间请求非常大，会有OOM的风险。除newWorkStealingPool 外，其他四个创建方式都存在资源耗尽的风险。

Executors 中默认的线程工程和拒绝策略过于简单，通常对用户不够友好。线程工厂需要做创建前的准备工作，对线程池创建的线程必须明确标识,就像药品的生产批号一样，为线程本身指定有意思的名称和相应的序列号。拒绝策略应该考虑到业务场景返回相应的提示或者友好的跳转

public class UserThreadFactory implements ThreadFactory {

    private final String namePrefix;
    private final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger();
    //定义线程组名称，在使用jstack 来排查问题是，非常有帮助
    UserThreadFactory(String whatFeatureOfGroup){
        namePrefix = "UserThreadFactory's"+whatFeatureOfGroup+"-Worker-";
    }

    @Override
    public Thread newThread(Runnable task){
        String name = namePrefix+ nextId.getAndIncrement();
        Thread thread = new Thread(null,task,name,0);
//打印threadname
        return thread;
    }

    public static void main(String[] args) {
        UserThreadFactory threadFactory = new UserThreadFactory("你好");
        String ss = threadFactory.namePrefix;
        Task task = new Task(ss);
        Thread thread = null;
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            thread = threadFactory.newThread(task);
            thread.start();
        }

    }
}

class Task implements Runnable{
    String poolname;
    Task(String poolname){
       this.poolname = poolname;
    }
    private final AtomicLong count = new AtomicLong();

    @Override
    public void run(){
        System.out.println(poolname+"_running_"+ count.getAndIncrement());
    }
}

上述示例包括线程工厂和任务执行体的定义，通过newThread 方法快速、统一地创建线程任务，强调线程一定要是欧特定的意义和名称，方便出错时回溯。

下面简单地实现一下RejectedExecutionHandler,实现了接口的rejectExecution方法，打印当前线程池状态，源码如下。

public class UserRejectHandler implements RejectedExecutionHandler {
    
    @Override
    public void rejectedExecution(Runnable task, ThreadPoolExecutor executor){
        System.out.println("task rejected."+ executor.toString());
    }
}

在ThreadPoolExecutor 中提供了4个公开的内部静态类：

  • AbortPolicy (默认)：丢弃任务并抛出RejectExecutionException 异常。

  • DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常，这是不推荐的做法。

  • DiscardOldestPolicy：抛弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加入队列中。

  • CallerRunsPolicy：调用任务的run方法绕过线程池直接执行。

根据之前实现的线程工厂和拒绝策略，线程池的相关代码实现如下：

public class UserThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue(2);
        UserThreadFactory f1 = new UserThreadFactory("第一机房");
        UserThreadFactory f2 = new UserThreadFactory("第二机房");
        UserRejectHandler handler = new UserRejectHandler();
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
                new ThreadPoolExecutor(1,2,60,
                        TimeUnit.SECONDS,queue,f1,handler);
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor2 =
                new ThreadPoolExecutor(1,2,60,
                        TimeUnit.SECONDS,queue,f2,handler);
        Runnable task1 = new Task("");
        for (int i = 0;i<200;i++){
            threadPoolExecutor.execute(task1);
            threadPoolExecutor2.execute(task1);
        }
    }
}

当任务被拒绝的时候，拒绝策略会打印出当前线程池的大小以及达到了maximumPoolSize=2 ,且队列已满。

写在最后

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