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线程池原理分析

Java技术 winrains 来源:周鑫磊 6个月前 (03-31) 30次浏览

1 什么是线程池

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架,几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中,合理地使用线程池能够带来3个好处。

  • 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。
  • 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。
  • 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制地创建,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分配、调优和监控。但是,要做到合理利用线程池,必须对其实现原理了如指掌。

2 线程池作用

线程池是为突然大量爆发的线程设计的,通过有限的几个固定线程为大量的操作服务,减少了创建和销毁线程所需的时间,从而提高效率。如果一个线程的时间非常长,就没必要用线程池了(不是不能作长时间操作,而是不宜。),况且我们还不能控制线程池中线程的开始、挂起、和中止。

3 线程池的分类

3.1 ThreadPoolExecutor

Java是天生就支持并发的语言,支持并发意味着多线程,线程的频繁创建在高并发及大数据量是非常消耗资源的,因为java提供了线程池。在jdk1.5以前的版本中,线程池的使用是及其简陋的,但是在JDK1.5后,有了很大的改善。JDK1.5之后加入了java.util.concurrent包,java.util.concurrent包的加入给予开发人员开发并发程序以及解决并发问题很大的帮助。这篇文章主要介绍下并发包下的Executor接口,Executor接口虽然作为一个非常旧的接口(JDK1.5 2004年发布),但是很多程序员对于其中的一些原理还是不熟悉,因此写这篇文章来介绍下Executor接口,同时巩固下自己的知识。如果文章中有出现错误,欢迎大家指出。Executor框架的最顶层实现是ThreadPoolExecutor类,Executors工厂类中提供的newScheduledThreadPool、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool方法其实也只是ThreadPoolExecutor的构造函数参数不同而已。通过传入不同的参数,就可以构造出适用于不同应用场景下的线程池,那么它的底层原理是怎样实现的呢,这篇就来介绍下ThreadPoolExecutor线程池的运行过程。

3.2 线程池核心参数详解

  • corePoolSize: 核心池的大小。 当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,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当中
  • maximumPoolSize: 线程池最大线程数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;
  • keepAliveTime: 表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。
  • unit: 参数keepAliveTime的时间单位
  • threadFactory:创建新线程的工厂,所有线程默认通过该工厂创建,有默认实现
  • workQueue:存放任务的阻塞队列
  • handler:线程的拒绝策略处理

3.3 线程池四种创建方式

Java通过Executors(jdk1.5并发包)提供四种线程池,分别为:

  • newCachedThreadPool: 创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。
    案例演示:
  • newFixedThreadPool: 创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。
  • newScheduledThreadPool: 创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。
  • newSingleThreadExecutor: 创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池,如果线程池长度超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。示例代码如下:

// 无限大小线程池 jvm自动回收
ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int temp = i;
newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",i:" +temp);
        }
    });
}

总结: 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。

newFixedThreadPool
创建一个定长线程池,可控制线程最大并发数,超出的线程会在队列中等待。示例代码如下:

ExecutorService newFixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int temp = i;
    newFixedThreadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ",i:" + temp);
        }
    });
}

总结:因为线程池大小为3,每个任务输出index后sleep 2秒,所以每两秒打印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()

newScheduledThreadPool
创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下:

ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int temp = i;
    newScheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
        public void run() {
            System.out.println("i:" + temp);
        }
    }, 3, TimeUnit.SECONDS);
}

表示延迟3秒执行。

newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池,它只会用唯一的工作线程来执行任务,保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下:

ExecutorService newSingleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;
    newSingleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("index:" + index);
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
        }
    });
}

注意: 结果依次输出,相当于顺序执行各个任务。

4 线程池原理剖析

流程图如下:
1287675201712292312319291280812291.png提交一个任务到线程池中,线程池的处理流程如下:

  • 判断线程池里的核心线程是否都在执行任务,如果不是(核心线程空闲或者还有核心线程没有被创建)则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程都在执行任务,则进入下个流程。
  • 线程池判断工作队列是否已满,如果工作队列没有满,则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了,则进入下个流程。
  • 判断线程池里的线程是否都处于工作状态,如果没有,则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了,则交给饱和策略来处理这个任务。

5 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,可以从以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
  1. IO密集型任务:该任务需要大量的IO操作,产生阻塞,如果在单线程中执行阻塞;
  2. CPU密集型任务:进行大量的计算,消耗CPU资源,依靠CPU的运算能力。这种计算密集型任务虽然也可以用多任务完成,但是任务越多,花在任务切换的时间就越多,CPU执行任务的效率就越低,所以,要最高效地利用CPU,计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数;
  • 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:是否依赖其他系统资源,如数据库连接。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量,如配置Ncpu+1个线程的线程池。IO密集型任务则由于需要等待IO操作,线程并不是一直在执行任务,则配置尽可能多的线程,如2*Ncpu。混合型的任务,如果可以拆分,则将其拆分成一个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,如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解。我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。
优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先得到执行,需要注意的是如果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。
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者也可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行。
依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,如果等待的时间越长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。

CPU密集型时,任务可以少配置线程数,大概和机器的cpu核数相当,这样可以使得每个线程都在执行任务
IO密集型时,大部分线程都阻塞,故需要多配置线程数,2*cpu核数
操作系统之名称解释:
某些进程花费了绝大多数时间在计算上,而其他则在等待I/O上花费了大多是时间,
前者称为计算密集型(CPU密集型)computer-bound,后者称为I/O密集型,I/O-bound。

  • 为什么线程池使用阻塞式队列?
    一般的队列只能保证作为一个有限长度的缓冲区,如果超出了缓冲长度,就无法保留当前的任务了,阻塞队列通过阻塞可以保留住当前想要继续入队的任务。

作者:周鑫磊

来源:https://www.sparksys.top/archives/5


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