JAVA线程11 - 新特性：线程池

1、概述

1. new Thread的弊端

（1）每次new Thread新建对象性能差。
（2）线程缺少统一管理，可能无限制新建线程，相互之间竞争，及可能占用过多系统资源致使死机或oom（内存溢出）。
（3）缺少更多功能，如定时执行、按期执行、线程中断。

2. 线程池

线程池是指管理同一组同构工做线程的资源池，线程池是与工做队列(Work Queue)密切相关的，其中在工做队列中保存了全部等待执行的任务。工做线程(Worker Thread)的任务很简单：从工做队列中获取一个任务，执行任务，而后返回线程池并等待下一个任务。

3. 线程池的组成

一个线程池包括如下四个基本组成部分：
（1）线程池管理器（ThreadPool）：用于建立并管理线程池，包括 建立线程池，销毁线程池，添加新任务；
（2）工做线程（PoolWorker）：线程池中线程，在没有任务时处于等待状态，能够循环的执行任务；
（3）任务接口（Task）：每一个任务必须实现的接口，以供工做线程调度任务的执行，它主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工做，任务的执行状态等；
（4）任务队列（taskQueue）：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

4. 何时适合使用线程池

在多线程应用中，若是大量的资源都耗费在建立和销毁线程上，那么可使用线程池。

5. 合理利用线程池带来的好处

（1）下降资源消耗。经过重复利用已建立的线程下降线程建立和销毁形成的消耗。
（2）提升响应速度。当任务到达时，任务能够不须要等到线程建立就能当即执行。
（3）提升线程的可管理性。线程是稀缺资源，若是无限制的建立，不只会消耗系统资源，还会下降系统的稳定性，使用线程池能够进行统一的分配，调优和监控。可是要作到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。

6. 线程池原理

线程池的基本思想仍是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多（未死亡）的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样能够避免反复建立线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

2、JAVA线程池

Java经过Executors提供四种线程池，分别为：

1. newCachedThreadPool

建立一个可缓存线程池，若是线程池长度超过处理须要，可灵活回收空闲线程；如有了新任务但线程池无空闲线程，则新建线程。示例代码以下：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    try {
        Thread.sleep(index * 1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(index);
        }
    });
}
//关闭线程池 
cachedThreadPool.shutdown();

线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

2. newFixedThreadPool

建立一个固定大小的线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码以下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}
//关闭线程池 
fixedThreadPool.shutdown();

由于线程池大小为3，每一个任务输出index后sleep 2秒，因此每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考PreloadDataCache。

3. newSingleThreadExecutor

建立一个单线程化的线程池，它只会用惟一的工做线程来执行任务，保证全部任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码以下：

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(index);
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}
//关闭线程池 
singleThreadExecutor.shutdown();

结果依次输出，至关于顺序执行各个任务。

问：如何实现线程死掉后从新启动？
答：可使用单线程池newSingleThreadExecutor。在线程死掉后，能够当即建立一个线程做为替补。

4. newScheduledThreadPool

建立一个调度线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码以下：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 3 seconds");
    }
}, 3, TimeUnit.SECONDS);
//表示延迟3秒执行。
 
//按期执行示例代码以下：
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
    }
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
//表示延迟1秒后每3秒执行一次。

//关闭线程池 
scheduledThreadPool.shutdown();

ScheduledExecutorService比Timer更安全，功能更强大。
ScheduledExecutorService不能定义某个时间点执行任务，能够经过date.getTime()-System.currentTimeMillis()计算得出。

3、自定义线程池

自定义链接池稍微麻烦些，不过经过建立的ThreadPoolExecutor线程池对象，能够获取到当前线程池的尺寸、正在执行任务的线程数、工做队列等进行线程池监控。

1. 线程池的建立

咱们能够经过ThreadPoolExecutor来建立一个线程池， 建立自定义线程池的构造方法不少，如： 

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)

参数说明：

corePoolSize：池中所保存的线程数，包括空闲线程。当提交一个任务到线程池时，线程池会建立一个线程来执行任务，即便其余空闲的基本线程可以执行新任务也会建立线程，等到须要执行的任务数大于线程池基本大小时就再也不建立。若是调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提早建立并启动全部基本线程。

maximumPoolSize：线程池容许建立的最大线程数。若是队列满了，而且已建立的线程数小于最大线程数，则线程池会再建立新的线程执行任务。值得注意的是若是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）：线程池的工做线程空闲后，保持存活的时间。因此若是任务不少，而且每一个任务执行的时间比较短，能够调大这个时间，提升线程的利用率。

unit：keepAliveTime 参数的时间单位。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)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。 

workQueue：执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由 execute 方法提交的 Runnable 任务。能够选择如下几个阻塞队列：
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 （先进先出） 排序元素，吞吐量一般要高于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。每一个插入操做必须等到另外一个线程调用移除操做，不然插入操做一直处于阻塞状态，吞吐量一般要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。 
PriorityBlockingQueue：一个具备优先级的无限阻塞队列。

2. 向线程池提交任务

咱们可使用execute提交的任务，可是execute方法没有返回值，因此没法判断任务是否被线程池执行成功。经过如下代码可知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
    }
});

咱们也可使用submit 方法来提交任务，它会返回一个future,那么咱们能够经过这个future来判断任务是否执行成功，经过future的get方法来获取返回值，get方法会阻塞住直到任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后当即返回，这时有可能任务没有执行完。

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
try {
     Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断异常
} catch (ExecutionException e) {
    // 处理没法执行任务异常
} finally {
    // 关闭线程池
    executor.shutdown();
}

3. 线程池的关闭

咱们能够经过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池，它们的原理是遍历线程池中的工做线程，而后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，因此没法响应中断的任务可能永远没法终止。可是它们存在必定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，而后尝试中止全部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，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，而后中断全部没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个，isShutdown方法就会返回true。当全部的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于咱们应该调用哪种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，一般调用shutdown来关闭线程池，若是任务不必定要执行完，则能够调用shutdownNow。

4、合理配置线程池

要想合理的配置线程池，就必须首先分析任务特性，能够从如下几个角度来进行分析：
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：是否依赖其余系统资源，如数据库链接。

任务性质不一样的任务能够用不一样规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽量小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则因为线程并非一直在执行任务，则配置尽量多的线程，如2*Ncpu。混合型的任务，若是能够拆分，则将其拆分红一个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率要高于串行执行的吞吐率，若是这两个任务执行时间相差太大，则不必进行分解。咱们能够经过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法得到当前设备的CPU个数。

优先级不一样的任务可使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可让优先级高的任务先获得执行，须要注意的是若是一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

执行时间不一样的任务能够交给不一样规模的线程池来处理，或者也可使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

依赖数据库链接池的任务，由于线程提交SQL后须要等待数据库返回结果，若是等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用CPU。

建议使用有界队列，有界队列能增长系统的稳定性和预警能力，能够根据须要设大一点，好比几千。有一次咱们组使用的后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断的抛出抛弃任务的异常，经过排查发现是数据库出现了问题，致使执行SQL变得很是缓慢，由于后台任务线程池里的任务全是须要向数据库查询和插入数据的，因此致使线程池里的工做线程所有阻塞住，任务积压在线程池里。若是当时咱们设置成无界队列，线程池的队列就会愈来愈多，有可能会撑满内存，致使整个系统不可用，而不仅是后台任务出现问题。固然咱们的系统全部的任务是用的单独的服务器部署的，而咱们使用不一样规模的线程池跑不一样类型的任务，可是出现这样问题时也会影响到其余任务。

5、线程池的监控

经过线程池提供的参数进行监控。线程池里有一些属性在监控线程池的时候可使用:
taskCount：线程池须要执行的任务数量。
completedTaskCount：线程池在运行过程当中已完成的任务数量。小于或等于taskCount。
largestPoolSize：线程池曾经建立过的最大线程数量。经过这个数据能够知道线程池是否满过。如等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满了。
getPoolSize:线程池的线程数量。若是线程池不销毁的话，池里的线程不会自动销毁，因此这个大小只增不+ getActiveCount：获取活动的线程数。

经过扩展线程池进行监控。经过继承线程池并重写线程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，咱们能够在任务执行前，执行后和线程池关闭前干一些事情。如监控任务的平均执行时间，最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。如：

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

6、参考资料

http://www.trinea.cn/android/java-android-thread-pool/ http://www.infoq.com/cn/articles/java-threadPool