聊聊並發（三）Java線程池的分析和使用

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引言

合理利用線程池能夠帶來三個好處。第一：降低資源消耗。通過重複利用已建立的線程降低線程建立和銷毀造成的消耗。第二：提高響應速度。當任務到達時，任務可以不需要的等到線程建立就能立即執行。第三：提高線程的可管理性。線程是稀缺資源，如果無限制的建立，不僅會消耗系統資源，還會降低系統的穩定性，使用線程池可以進行統一的分配，調優和監控。但是要做到合理的利用線程池，必須對其原理了如指掌。

線程池的使用 線程池的建立

我們可以通過ThreadPoolExecutor來建立一個線程池。

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);

建立一個線程池需要輸入幾個參數：
corePoolSize（線程池的基本大小）：當提交一個任務到線程池時，線程池會建立一個線程來執行任務，即使其他閒置基本線程能夠執行新任務也會建立線程，等到需要執行的任務數大於線程池基本大小時就不再建立。如果調用了線程池的prestartAllCoreThreads方法，線程池會提前建立並啟動所有基本線程。
runnableTaskQueue（任務隊列）：用於儲存等待執行的任務的阻塞隊列。可以選擇以下幾個阻塞隊列。
（1）ArrayBlockingQueue：是一個基於數組結構的有界阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
（2）LinkedBlockingQueue：一個基於鏈表結構的阻塞隊列，此隊列按FIFO （先進先出） 排序元素，輸送量通常要高於ArrayBlockingQueue。靜態Factory 方法Executors.newFixedThreadPool()使用了這個隊列。
（3）SynchronousQueue：一個不儲存元素的阻塞隊列。每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，輸送量通常要高於LinkedBlockingQueue，靜態Factory 方法Executors.newCachedThreadPool使用了這個隊列。
（4）PriorityBlockingQueue：一個具有優先順序得無限阻塞隊列。
maximumPoolSize（線程池最大大小）：線程池允許建立的最大線程數。如果隊列滿了，並且已建立的線程數小於最大線程數，則線程池會再建立新的線程執行任務。值得注意的是如果使用了無界的任務隊列這個參數就沒什麼效果。
ThreadFactory：用於設定建立線程的工廠，可以通過線程工廠給每個建立出來的線程設定更有意義的名字，Debug和定位問題時非常又協助。
RejectedExecutionHandler（飽和策略）：當隊列和線程池都滿了，說明線程池處於飽和狀態，那麼必須採取一種策略處理提交的新任務。這個策略預設情況下是AbortPolicy，表示無法處理新任務時拋出異常。以下是JDK1.5提供的四種策略。
（1）AbortPolicy：直接拋出異常。
（2）CallerRunsPolicy：只用調用者所線上程來運行任務。
（3）DiscardOldestPolicy：丟棄隊列裡最近的一個任務，並執行當前任務。
（4）DiscardPolicy：不處理，丟棄掉。
（5）當然也可以根據應用情境需要來實現RejectedExecutionHandler介面自訂策略。如記錄日誌或持久化不能處理的任務。
keepAliveTime（線程活動保持時間）：線程池的背景工作執行緒空閑後，保持存活的時間。所以如果任務很多，並且每個任務執行的時間比較短，可以調大這個時間，提高線程的利用率。
TimeUnit（線程活動保持時間的單位）：可選的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鐘（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

向線程池提交任務

我們可以使用execute提交的任務，但是execute方法沒有傳回值，所以無法判斷任務知否被線程池執行成功。通過以下代碼可知execute方法輸入的任務是一個Runnable類的執行個體。

threadsPool.execute(new Runnable() {    @Override    public void run() {        // TODO Auto-generated method stub    }});

我們也可以使用submit 方法來提交任務，它會返回一個future,那麼我們可以通過這個future來判斷任務是否執行成功，通過future的get方法來擷取傳回值，get方法會阻塞住直到任務完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法則會阻塞一段時間後立即返回，這時有可能任務沒有執行完。

try {    Object s = future.get();} catch (InterruptedException e) {    // 處理中斷異常} catch (ExecutionException e) {    // 處理無法執行任務異常} finally {    // 關閉線程池    executor.shutdown();}

線程池的關閉

我們可以通過調用線程池的shutdown或shutdownNow方法來關閉線程池，但是它們的實現原理不同，shutdown的原理是只是將線程池的狀態設定成SHUTDOWN狀態，然後中斷所有沒有正在執行任務的線程。shutdownNow的原理是遍曆線程池中的背景工作執行緒，然後逐個調用線程的interrupt方法來中斷線程，所以無法響應中斷的任務可能永遠無法終止。shutdownNow會首先將線程池的狀態設定成STOP，然後嘗試停止所有的正在執行或暫停任務的線程，並返回等待執行任務的列表。

只要調用了這兩個關閉方法的其中一個，isShutdown方法就會返回true。當所有的任務都已關閉後,才表示線程池關閉成功，這時調用isTerminaed方法會返回true。至於我們應該調用哪一種方法來關閉線程池，應該由提交到線程池的任務特性決定，通常調用shutdown來關閉線程池，如果任務不一定要執行完，則可以調用shutdownNow。

線程池的分析

流程分析：線程池的主要工作流程如：

從我們可以看出，當提交一個新任務到線程池時，線程池的處理流程如下：
（1）首先線程池判斷基本線程池是否已滿？沒滿，建立一個背景工作執行緒來執行任務。滿了，則進入下個流程。
（2）其次線程池判斷工作隊列是否已滿？沒滿，則將新提交的任務儲存在工作隊列裡。滿了，則進入下個流程。
（3）最後線程池判斷整個線程池是否已滿？沒滿，則建立一個新的背景工作執行緒來執行任務，滿了，則交給飽和策略來處理這個任務。

上面的流程分析讓我們很直觀的瞭解的線程池的工作原理，讓我們再通過原始碼來看看是如何?的。線程池執行任務的方法如下：

public void execute(Runnable command) {    if (command == null)        throw new NullPointerException();    //如果線程數小於基本線程數，則建立線程並執行當前任務    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {        //如線程數大於等於基本線程數或線程建立失敗，則將當前任務放到工作隊列中。        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)                ensureQueuedTaskHandled(command);        }        //如果線程池不處於運行中或任務無法放入隊列，並且當前線程數量小於最大允許的線程數量，則建立一個線程執行任務。        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))            //拋出RejectedExecutionException異常            reject(command); // is shutdown or saturated    }}

線程池建立線程時，會將線程封裝成背景工作執行緒Worker，Worker在執行完任務後，還會無限迴圈擷取工作隊列裡的任務來執行。我們可以從Worker的run方法裡看到這點：

public void run() {    try {        Runnable task = firstTask;        firstTask = null;        while (task != null || (task = getTask()) != null) {            runTask(task);            task = null;        }    } finally {        workerDone(this);    }}

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