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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
 
 
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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;
                }
            }
        }
    }
}
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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:
 
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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();
    }
}
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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:
 
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<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>
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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:
 
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
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。
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
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。
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.