ThreadPoolExecutor详解

2017-08-31

多线程 Java

使用线程池有以下好处：

可以避免频繁的创建和销毁线程所带来的开销；
控制线程数量，避免因为大量的线程抢占资源所带来的卡顿；
可以对线程进行简单的管理，例如可以控制线程的定时执行和循环执行；

从 Java 5 开始，Java 提供了自己的线程池。线程池就是一个线程的容器，每次只执行额定数量的线程。 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor 就是这样的线程池。它很灵活，但使用起来也比较复杂，本文就对其做一个介绍。

首先是构造函数。以最简单的构造函数为例：

1	public ThreadPoolExecutor( int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue)

看起来挺复杂的。这里介绍一下。

corePoolSize 指的是保留的线程池大小。
maximumPoolSize 指的是线程池的最大大小。
keepAliveTime 指的是空闲线程结束的超时时间。
unit 是一个枚举，表示 keepAliveTime 的单位。
workQueue 表示存放任务的队列。

关于第二个参数keepAliveTime ，默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0。建议阅读：Java并发编程：线程池的使用。

我们可以从线程池的工作过程中了解这些参数的意义。线程池的工作过程如下：

1、线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面有任务，线程池也不会马上执行它们。

2、当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：
a. 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
b. 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列。
c. 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于maximumPoolSize，那么还是要创建线程运行这个任务；
d. 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常，告诉调用者“我不能再接受任务了”。

3、当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。

4、当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

这样的过程说明，并不是先加入任务就一定会先执行。假设队列大小为 10，corePoolSize 为 3，maximumPoolSize 为 6，那么当加入 20 个任务时，执行的顺序就是这样的：首先执行任务 1、2、3，然后任务 4~13 被放入队列。这时候队列满了，任务 14、15、16 会被马上执行，而任务 17~20 则会抛出异常。最终顺序是：1、2、3、14、15、16、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。下面是一个线程池使用的例子：

publicclass ThreadPoolExecutorTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 保存任务的队列，无界队列
        BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<Runnable>();
        // newFixedThreadPool生成一个固定的线程池。ThreadPoolExecutor可以像Tomcat的线程池一样设置“最大线程数”、“最小线程数”和“空闲线程keepAlive的时间”。
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 6, 1, TimeUnit.DAYS, queue);
        // 当新任务在方法 execute(java.lang.Runnable) 中提交时，如果运行的线程少于 corePoolSize，则创建新线程来处理请求（即使存在空闲线程）。如果运行的线程多于 corePoolSize 而少于 maximumPoolSize，则仅当队列（queue）满时才创建新线程。如果设置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，则创建了固定大小的线程池。如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值（如 Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            final int index = i;
            executor.execute(new Runnable() {
                publicvoid run() {
                    try {
                        Thread.sleep(4000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(String.format("thread %d finished", index));
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

对这个例子的说明如下：
1、BlockingQueue 只是一个接口，常用的实现类有LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。用 LinkedBlockingQueue 的好处在于没有大小限制。这样的话，因为队列不会满，所以 execute() 不会抛出异常，而线程池中运行的线程数也永远不会超过 corePoolSize 个，keepAliveTime 参数也就没有意义了。
2、shutdown() 方法不会阻塞。调用shutdown()方法之后，主线程就马上结束了，而线程池会继续运行直到所有任务执行完才会停止。如果不调用shutdown()方法，那么线程池会一直保持下去，以便随时添加新的任务。

ThreadPoolExecutor将根据corePoolSize（参见getCorePoolSize()）和maximumPoolSize（参见getMaximumPoolSize()）设置的边界自动调整池大小。当新任务在方法execute(java.lang.Runnable)中提交时，如果运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来处理请求，即使其他辅助线程是空闲的。如果运行的线程多于corePoolSize而少于maximumPoolSize，则仅当队列满时才创建新线程。如果设置的corePoolSize和maximumPoolSize相同，则创建了固定大小的线程池。如果将maximumPoolSize设置为基本的无界值（如Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。在大多数情况下，核心和最大池大小仅基于构造来设置，不过也可以使用setCorePoolSize(int)和setMaximumPoolSize(int) 进行动态更改。

到这里对于这个线程池还只是介绍了一小部分。ThreadPoolExecutor 具有很强的可扩展性，不过扩展它的前提是要熟悉它的工作方式。

java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor类提供了丰富的可扩展性。你可以通过创建它的子类来自定义它的行为。例如，我希望当每个任务结束之后打印一条消息，但我又无法修改任务对象，那么我可以这样写：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(size, maxSize, 1, TimeUnit.DAYS, queue) {
    @Override
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        System.out.println("Task finished.");
    }
};

除了 afterExecute 方法之外，ThreadPoolExecutor 类还有 beforeExecute() 和 terminated() 方法可以重写，分别是在任务执行之前和整个线程池停止之后执行。

除了可以添加任务执行前后的动作之外，ThreadPoolExecutor还允许你自定义当添加任务失败后的执行策略。你可以调用线程池的setRejectedExecutionHandler()方法，用自定义的RejectedExecutionHandler 对象替换现有的策略。 ThreadPoolExecutor 提供 4 个现有的策略，分别是：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：表示拒绝任务并抛出异常

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：表示拒绝任务但不做任何动作

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：表示拒绝任务，并在调用者的线程中直接执行该任务

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：表示先丢弃任务队列中的第一个任务，然后把这个任务加进队列。

这里是一个例子：

1 2	ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(size, maxSize, 1, TimeUnit.DAYS, queue); executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

除此之外，你也可以通过实现RejectedExecutionHandler接口来编写自己的策略。下面是一个例子：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 6, 1, TimeUnit.SECONDS, queue,
        new RejectedExecutionHandler() {
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.out.println(String.format("Task %d rejected.", r.hashCode()));
            }
        }
);

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