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[Java教程]Java线程池的几种实现 及 常见问题讲解


工作中,经常会涉及到线程。比如有些任务,经常会交与线程去异步执行。抑或服务端程序为每个请求单独建立一个线程处理任务。线程之外的,比如我们用的数据库连接。这些创建销毁或者打开关闭的操作,非常影响系统性能。所以,“池”的用处就凸显出来了。

 

1. 为什么要使用线程池

在3.6.1节介绍的实现方式中,对每个客户都分配一个新的工作线程。当工作线程与客户通信结束,这个线程就被销毁。这种实现方式有以下不足之处:

  • 服务器创建和销毁工作的开销( 包括所花费的时间和系统资源 )很大。这一项不用解释,可以去查下"线程创建过程"。除了机器本身所做的工作,我们还要实例化,启动,这些都需要占用堆栈资源。
  • 除了创建和销毁线程的开销之外,活动的线程也消耗系统资源。 这个应该是对堆栈资源的消耗,猜测数据库连接数设置一个合理的值,也有这个考虑。
  • 如果线程数目固定,并且每个线程都有很长的声明周期,那么线程切换也是相对固定的。不同的操作系统有不同的切换周期,一般20ms左右。这里说的切换是在jvm以及底层操作系统的调度下,线程之间转让cpu的使用权。如果频繁创建和销毁线程,那么就将频繁的切换线程,因为一个线程销毁后,必然要让出使用权给已经就绪的线程,使该线程获得运行机会。在这种情况下,线程之间的切换就不在遵循系统的固定切换周期,切换线程的开销甚至比创建和销毁的开销还要大。

相对来说,使用线程池,会预创建一些线程,它们不断的从工作队列中取出任务,然后执行该任务。当工作线程执行完一个任务后,就会继续执行工作队列中的另一个任务。优点如下:

  • 减少了创建和销毁的次数,每个工作线程都可以一直被重用,能执行多个任务。
  • 可以根据系统的承载能力,方便的调整线程池中线程的数目,防止因为消耗过量的系统资源而导致系统崩溃。

 

2. 线程池的简单实现

下面是自己写的一个简单的线程池,也是从Java网络编程这本书上直接照着敲出来的

 

package thread;import java.util.LinkedList;/** * 线程池的实现,根据常规线程池的长度,最大长度,队列长度,我们可以增加数目限制实现 * @author Han */public class MyThreadPool extends ThreadGroup{  //cpu 数量 ---Runtime.getRuntime().availableProcessors();  //是否关闭  private boolean isClosed = false;  //队列  private LinkedList<Runnable> workQueue;  //线程池id  private static int threadPoolID;  private int threadID;  public MyThreadPool(int poolSize){    super("MyThreadPool."+threadPoolID);    threadPoolID++;    setDaemon(true);    workQueue = new LinkedList<Runnable>();    for(int i = 0;i<poolSize;i++){      new WorkThread().start();    }  }  //这里可以换成ConcurrentLinkedQueue,就可以避免使用synchronized的效率问题  public synchronized void execute(Runnable task){    if(isClosed){      throw new IllegalStateException("连接池已经关闭...");    }else{      workQueue.add(task);      notify();    }  }    protected synchronized Runnable getTask() throws InterruptedException {    while(workQueue.size() == 0){      if(isClosed){        return null;      }      wait();    }    return workQueue.removeFirst();  }    public synchronized void close(){    if(!isClosed){      isClosed = true;      workQueue.clear();      interrupt();    }  }    public void join(){    synchronized (this) {      isClosed = true;      notifyAll();    }    Thread[] threads = new Thread[activeCount()];    int count = enumerate(threads);    for(int i = 0;i<count;i++){      try {        threads[i].join();      } catch (Exception e) {      }    }  }    class WorkThread extends Thread{    public WorkThread(){      super(MyThreadPool.this,"workThread"+(threadID++));      System.out.println("create...");    }    @Override    public void run() {      while(!isInterrupted()){        System.out.println("run..");        Runnable task = null;        try {          //这是一个阻塞方法          task = getTask();                  } catch (Exception e) {                  }        if(task != null){          task.run();        }else{          break;        }      }    }  }}

 

 

该线程池主要定义了一个工作队列和一些预创建的线程。只要调用execute方法,就可以向线程提交任务。

后面线程在没有任务的时候,会阻塞在getTask(),直到有新任务进来被唤醒。

join和close都可以用来关闭线程池。不同的是,join会把队列中的任务执行完,而close则立刻清空队列,并且中断所有的工作线程。close()中的interrupt()相当于调用了ThreadGroup中包含子线程的各自的interrupt(),所以有线程处于wait或者sleep时,都会抛出InterruptException

测试类如下:

public class TestMyThreadPool {  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    MyThreadPool pool = new MyThreadPool(3);    for(int i = 0;i<10;i++){      pool.execute(new Runnable() {        @Override        public void run() {          try {            Thread.sleep(1000);          } catch (InterruptedException e) {          }          System.out.println("working...");        }      });    }    pool.join();    //pool.close();  }}

 

 

3. jdk类库提供的线程池

 

java提供了很好的线程池实现,比我们自己的实现要更加健壮以及高效,同时功能也更加强大。

类图如下:

 

关于这类线程池,前辈们已经有很好的讲解。任意百度下java线程池,都有写的非常详细的例子和教程,这里就不再赘述。

java自带线程池和队列详解

 

4. spring注入线程池

在使用spring框架的时候,如果我们用java提供的方法来创建线程池,在多线程应用中非常不方便管理,而且不符合我们使用spring的思想。(虽然spring可以通过静态方法注入)

其实,Spring本身也提供了很好的线程池的实现。这个类叫做ThreadPoolTaskExecutor。

在spring中的配置如下:

<bean id="executorService" class="org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor">    <property name="corePoolSize" value="${threadpool.corePoolSize}" />    <!-- 线程池维护线程的最少数量 -->    <property name="keepAliveSeconds" value="${threadpool.keepAliveSeconds}" />    <!-- 线程池维护线程所允许的空闲时间 -->    <property name="maxPoolSize" value="${threadpool.maxPoolSize}" />    <!-- 线程池维护线程的最大数量 -->    <property name="queueCapacity" value="${threadpool.queueCapacity}" />    <!-- 线程池所使用的缓冲队列 -->  </bean>

 

5. 使用线程池的注意事项

  • 死锁

任何多线程程序都有死锁的风险,最简单的情形是两个线程AB,A持有锁1,请求锁2,B持有锁2,请求锁1。(这种情况在mysql的排他锁也会出现,不会数据库会直接报错提示)。线程池中还有另一种死锁:假设线程池中的所有工作线程都在执行各自任务时被阻塞,它们在等待某个任务A的执行结果。而任务A却处于队列中,由于没有空闲线程,一直无法得以执行。这样线程池的所有资源将一直阻塞下去,死锁也就产生了。

  • 系统资源不足

 如果线程池中的线程数目非常多,这些线程会消耗包括内存和其他系统资源在内的大量资源,从而严重影响系统性能。

  • 并发错误

线程池的工作队列依靠wait()和notify()方法来使工作线程及时取得任务,但这两个方法难以使用。如果代码错误,可能会丢失通知,导致工作线程一直保持空闲的状态,无视工作队列中需要处理的任务。因为最好使用一些比较成熟的线程池。

  • 线程泄漏

使用线程池的一个严重风险是线程泄漏。对于工作线程数目固定的线程池,如果工作线程在执行任务时抛出RuntimeException或Error,并且这些异常或错误没有被捕获,那么这个工作线程就异常终止,使线程池永久丢失了一个线程。(这一点太有意思)

另一种情况是,工作线程在执行一个任务时被阻塞,如果等待用户的输入数据,但是用户一直不输入数据,导致这个线程一直被阻塞。这样的工作线程名存实亡,它实际上不执行任何任务了。如果线程池中的所有线程都处于这样的状态,那么线程池就无法加入新的任务了。

  • 任务过载

当工作线程队列中有大量排队等待执行的任务时,这些任务本身可能会消耗太多的系统资源和引起资源缺乏。

 

综上所述,使用线程池时,要遵循以下原则:

  1. 如果任务A在执行过程中需要同步等待任务B的执行结果,那么任务A不适合加入到线程池的工作队列中。如果把像任务A一样的需要等待其他任务执行结果的加入到队列中,可能造成死锁
  2. 如果执行某个任务时可能会阻塞,并且是长时间的阻塞,则应该设定超时时间,避免工作线程永久的阻塞下去而导致线程泄漏。在服务器才程序中,当线程等待客户连接,或者等待客户发送的数据时,都可能造成阻塞,可以通过以下方式设置时间:
    调用ServerSocket的setSotimeout方法,设定等待客户连接的超时时间。
    对于每个与客户连接的socket,调用该socket的setSoTImeout方法,设定等待客户发送数据的超时时间。
  3. 了解任务的特点,分析任务是执行经常会阻塞io操作,还是执行一直不会阻塞的运算操作。前者时断时续的占用cpu,而后者具有更高的利用率。预计完成任务大概需要多长时间,是短时间任务还是长时间任务,然后根据任务的特点,对任务进行分类,然后把不同类型的任务加入到不同的线程池的工作队列中,这样就可以根据任务的特点,分配调整每个线程池
  4. 调整线程池的大小。线程池的最佳大小主要取决于系统的可用cpu的数目,以及工作队列中任务的特点。假如一个具有N个cpu的系统上只有一个工作队列,并且其中全部是运算性质(不会阻塞)的任务,那么当线程池拥有N或N+1个工作线程时,一般会获得最大的cpu使用率。如果工作队列中包含会执行IO操作并经常阻塞的任务,则要让线程池的大小超过可用 cpu的数量,因为并不是所有的工作线程都一直在工作。选择一个典型的任务,然后估计在执行这个任务的工程中,等待时间与实际占用cpu进行运算的时间的比例WT/ST。对于一个具有N个cpu的系统,需要设置大约N*(1+WT/ST)个线程来保证cpu得到充分利用。
    当然,cpu利用率不是调整线程池过程中唯一要考虑的事项,随着线程池工作数目的增长,还会碰到内存或者其他资源的限制,如套接字,打开的文件句柄或数据库连接数目等。要保证多线程消耗的系统资源在系统承受的范围之内。
  5. 避免任务过载。服务器应根据系统的承载能力,限制客户并发连接的数目。当客户的连接超过了限制值,服务器可以拒绝连接,并进行友好提示,或者限制队列长度.