Java併發編程的藝術(十)——線程池(1)

線程池的作用

1. 減少資源的開銷
   減少了每次創建線程、銷燬線程的開銷。

2. 提高響應速度
   每次請求到來時，由於線程的創建已經完成，故可以直接執行任務，因此提高了響應速度。

3. 提高線程的可管理性
   線程是一種稀缺資源，若不加以限制，不僅會佔用大量資源，而且會影響系統的穩定性。
   因此，線程池可以對線程的創建與停止、線程數量等等因素加以控制，使得線程在一種可控的範圍內運行，不僅能保證系統穩定運行，而且方便性能調優。

線程池的實現原理

線程池一般由兩種角色構成：多個工作線程 和 一個阻塞隊列。

• 工作線程
  工作線程是一組已經處在運行中的線程，它們不斷地向阻塞隊列中領取任務執行。

• 阻塞隊列
  阻塞隊列用於存儲工作線程來不及處理的任務。當工作線程都在執行任務時，到來的新任務就只能暫時在阻塞隊列中存儲。

ThreadPoolExecutor的使用

創建線程池

通過如下代碼即可創建一個線程池：

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, timeUnit, runnableTaskQueue, handler);

• 1

• corePoolSize：基本線程數量
  它表示你希望線程池達到的一個值。線程池會盡量把實際線程數量保持在這個值上下。

• maximumPoolSize：最大線程數量
  這是線程數量的上界。
  如果實際線程數量達到這個值：

  1. 阻塞隊列未滿：任務存入阻塞隊列等待執行
  2. 阻塞隊列已滿：調用飽和策略

• keepAliveTime：空閒線程的存活時間
  當實際線程數量超過corePoolSize時，若線程空閒的時間超過該值，就會被停止。
  PS：當任務很多，且任務執行時間很短的情況下，可以將該值調大，提高線程利用率。

• timeUnit：keepAliveTime的單位

• runnableTaskQueue：任務隊列
  這是一個存放任務的阻塞隊列，可以有如下幾種選擇：
  
  1. ArrayBlockingQueue
     它是一個由數組實現的阻塞隊列，FIFO。
  2. LinkedBlockingQueue
     它是一個由鏈表實現的阻塞隊列，FIFO。
     吞吐量通常要高於ArrayBlockingQueue。
     fixedThreadPool使用的阻塞隊列就是它。
     它是一個無界隊列。
  3. SynchronousQueue
     它是一個沒有存儲空間的阻塞隊列，任務提交給它之後必須要交給一條工作線程處理；如果當前沒有空閒的工作線程，則立即創建一條新的工作線程。
     cachedThreadPool用的阻塞隊列就是它。
     它是一個無界隊列。
  4. PriorityBlockingQueue
     它是一個優先權阻塞隊列。
• handler：飽和策略
  當實際線程數達到maximumPoolSize，並且阻塞隊列已滿時，就會調用飽和策略。
  JDK1.5由四種飽和策略：
  
  1. AbortPolicy
     默認。直接拋異常。
  2. CallerRunsPolicy
     只用調用者所在的線程執行任務。
  3. DiscardOldestPolicy
     丟棄任務隊列中最久的任務。
  4. DiscardPolicy
     丟棄當前任務。

提交任務

可以向ThreadPoolExecutor提交兩種任務：Callable和Runnable。

1. Callable
   該類任務有返回結果，可以拋出異常。
   通過submit函數提交，返回Future對象。
   可通過get獲取執行結果。

2. Runnable
   該類任務只執行，無法獲取返回結果，並在執行過程中無法拋異常。
   通過execute提交。

關閉線程池

關閉線程池有兩種方式：shutdown和shutdownNow，關閉時，會遍歷所有的線程，調用它們的interrupt函數中斷線程。但這兩種方式對於正在執行的線程處理方式不同。

1. shutdown()
   僅停止阻塞隊列中等待的線程，那些正在執行的線程就會讓他們執行結束。
2. shutdownNow()
   不僅會停止阻塞隊列中的線程，而且會停止正在執行的線程。

ThreadPoolExecutor運行機制

當有請求到來時：

1. 若當前實際線程數量 少於 corePoolSize，即使有空閒線程，也會創建一個新的工作線程；
2. 若當前實際線程數量處於corePoolSize和maximumPoolSize之間，並且阻塞隊列沒滿，則任務將被放入阻塞隊列中等待執行；
3. 若當前實際線程數量 小於 maximumPoolSize，但阻塞隊列已滿，則直接創建新線程處理任務；
4. 若當前實際線程數量已經達到maximumPoolSize，並且阻塞隊列已滿，則使用飽和策略。

設置合理的線程池大小

任務一般可分爲：CPU密集型、IO密集型、混合型，對於不同類型的任務需要分配不同大小的線程池。

• CPU密集型任務
  儘量使用較小的線程池，一般爲CPU核心數+1。
  因爲CPU密集型任務使得CPU使用率很高，若開過多的線程數，只能增加上下文切換的次數，因此會帶來額外的開銷。

• IO密集型任務
  可以使用稍大的線程池，一般爲2*CPU核心數。
  IO密集型任務CPU使用率並不高，因此可以讓CPU在等待IO的時候去處理別的任務，充分利用CPU時間。

• 混合型任務
  可以將任務分成IO密集型和CPU密集型任務，然後分別用不同的線程池去處理。
  只要分完之後兩個任務的執行時間相差不大，那麼就會比串行執行來的高效。
  因爲如果劃分之後兩個任務執行時間相差甚遠，那麼先執行完的任務就要等後執行完的任務，最終的時間仍然取決於後執行完的任務，而且還要加上任務拆分與合併的開銷，得不償失。