2021年3月31日星期三

Java 线程池详解


本文部分摘自《Java 并发编程的艺术》


概述

Java 中的线程池是运行场景最多的并发框架，合理使用线程池能够带来三个好处：

  • 降低资源消耗。通过重复利用已有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，任务可以不需要等待线程创建就能立即执行
  • 提高线程可管理性。线程是稀缺资源，使用线程池进行统一分配、调优和监控，可以降低资源消耗，提高系统稳定性

线程池的实现原理

从图中可以看到，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：

  1. 线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务，如果不是，创建一个新的工作线程执行任务，否则进入下一流程
  2. 线程池判断工作队列是否已满，如果工作队列没有满，将新提交的任务存储在工作队列中，否则进入下一流程
  3. 线程池判断线程池里的线程是否都处于工作状态，如果没有，创建一个新的工作线程执行任务，否则交给饱和策略来处理这个任务

使用线程池

1. 创建线程池

我们可以通过 ThreadPoolExecutor 来创建一个线程池

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler);

创建一个线程需要输入几个参数，如下：

  • corePoolSize（线程池的基本大小）

    当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即时其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建

  • maximumPoolSize（线程池最大数量）

    线程池允许创建的最大线程数，如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用无界阻塞队列做任务队列，则这个参数没有什么效果

  • keepAliveTime（线程活动保持时间）

    线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。如果任务很多，并且每个任务的执行时间都比较短，可以调大时间，提高线程利用率

  • unit（线程保持活动时间的单位）

    可选的单位有天（DAYS）、小时（HOURS）、分钟（MINUTES）、毫秒（MILLISECONDS）、微妙（MICROSECONDS）和纳秒（NANOSECONDS）

  • workQueue（任务队列）

    用于保存等到执行的任务的阻塞队列，可以选择以下几个阻塞队列：

    • 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 排序元素，吞吐量通常高于 ArrayBlockingQueue

    • SynchronousQueue

      一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一致处于阻塞状态，吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue

    • PriorityBlockingQueue

      一个具有优先级的无界阻塞队列

  • threadFactory

    用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字

  • handler（饱和策略）

    当任务和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，必须采取一种策略处理提交的新任务。在 JDK5 中线程池框架提供了以下四种策略：

    • AbortPolicy：直接抛出异常，默认采取这种策略
    • CallerRunsPolicy：使用调用者所在线程来运行任务
    • DiscardOldestPolicy：丢弃队列最近的一个任务，并执行当前任务
    • DiscardPolicy：不处理，丢弃掉

    也可以根据需要实现 RejectedExecutionHandler 接口自定义策略

2. 向线程池提交任务

可以使用 execute() 和 submit() 方法向线程池提交任务

  • execute() 方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功

    threadsPool.execute(new Runnable() { @Override public void run() {  //... }})

  • submit() 方法用于提交需要返回值的任务，线程池会返回一个 future 对象，通过这个对象可以判断任务是否执行成功

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

3. 关闭线程池

可以通过调用线程池的 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作线程，逐个调用线程的 interrupt 方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止

shutdown 方法和 shutdownNow 方法存在一定的区别：

  • shutdownNow 方法首先将线程池状态设置成 STOP，然后尝试停止所有正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表
  • shutdown 方法只是将线程池状态设置成 SHUTDOWN 状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown 方法就会返回 true，当所有任务都已关闭，才表示线程池关闭成功，这时调用 isTerminaed 方法会返回 true。至于应该采用哪种方法关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用 shutdown 方法关闭线程池，如果任务不一定要执行完成，可以调用 shutdownNow 方法


基于线程池技术的简单 Web 服务器

目前的浏览器都支持多线程访问，比如请求一个页面的时候，页面包含的图片等静态资源会被浏览器并发的获取。如果 Web 服务器是单线程的，按顺序处理发送过来的请求，无疑会影响用户体验，因此大部分 Web 服务器都支持并发访问

下面使用线程池来构造一个简单的 Web 服务器，这个 Web 服务器用来处理 HTTP 请求，目前只能处理简单的文本和图片内容。该 Web 服务器使用 main 线程不断接受客户端的 Socket 连接，将连接以及请求提交给线程池处理，这样使得 Web 服务器能同时处理多个客户端的请求

public class SimpleHttpServer { static ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(   5, 10, 60L,   TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(),   Executors.defaultThreadFactory(),   new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); static ServerSocket serverSocket; static int port = 8080; public static void setPort(int port) {  if (port > 0) {   SimpleHttpServer.port = port;  } } /**  * 启动 SimpleHttpServer  */ public static void start() throws Exception {  serverSocket = new ServerSocket(port);  Socket socket = null;  while ((socket = serverSocket.accept()) != null) {   // 接收一个客户端Socket，生成一个HttpRequestHandler，放入线程池执行   threadPool.execute(new HttpRequestHandler(socket));  }  serverSocket.close(); } static class HttpRequestHandler implements Runnable {  private Socket socket;  public HttpRequestHandler(Socket socket) {   this.socket = socket;  }  @Override  public void run() {   String line;   BufferedReader br = null;   BufferedReader reader = null;   PrintWriter out = null;   InputStream in = null;   try {    reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));    String header = reader.readLine();    // 计算绝对路径    String filePath = SimpleHttpServer.class.getResource(header.split(" ")[1]).getPath();    out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());    // 如果请求资源的后缀为 jpg 或 ico，则读取资源并输出    if (filePath.endsWith("jpg") || filePath.endsWith("ico")) {     in = new FileInputStream(filePath);     ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();     int i;     while ((i = in.read()) != -1) {      baos.write(i);     }     byte[] array = baos.toByteArray();     out.println("HTTP/1.1 200 OK");     out.println("Server: YeeQ");     out.println("Content-Type: image/jpeg");     out.println("Content-Length: " + array.length);     out.println("");     socket.getOutputStream().write(array, 0, array.length);    } else {     br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream(filePath)));     out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());     out.println("HTTP/1.1 200 OK");     out.println("Server: YeeQ");     out.println("Content-Type: text/html; charset=UTF-8");     out.println("");     while ((line = br.readLine()) != null) {      out.println(line);     }    }    out.flush();   } catch (Exception e) {    if (out != null) {     out.println("HTTP/1.1 500");     out.println("");     out.flush();    }   } finally {    close(br, in, reader, out, socket);   }  } } /**  * 关闭流或者socket  */ private static void close(Closeable... closeables) {  if (closeables != null) {   for (Closeable closeable : closeables) {    if (closeable != null) {     try {      closeable.close();     } catch (Exception e) {      e.printStackTrace();     }    }   }  } } public static void main(String[] args) throws Exception {  SimpleHttpServer.start(); }}









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