笔记09 - 线程池刨根问底

我们知道CPU运行的最小单位是线程，Java中实现并发是通过多线程来完成的，利用多线程提高了对CPU资源的利用率，但是线程的创建和销毁是很消耗性能的。线程的创建伴随着虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等线程私有内存空间的创建，在线程销毁的时候也伴随着这些私有内存的回收，频繁的创建和销毁线程会占用大量的系统资源，而对线程的复用则可以有效的管理和协调线程的工作。

线程池主要解决的两个问题：

• 1. 在执行大量异步任务的时候线程池能够提供很好的性能；
• 2. 线程池能够提供一种资源限制和管理的手段，比如限制同时运行的线程的数量。

线程池的体系

Executor：线程池最顶端的接口，在Executor中只有一个execute方法，用于执行任务。线程的创建、调度都是由子类实现的；

ExecutorService：继承自Executor，在Executor内部实现了任务提交机制以及线程池关闭的方法；

ThreadPoolExecutor：ExecutorService的默认实现，线程池的机制大部分封装在这个类中；

ScheduledExecutorService：继承自ExecutorService，增加了定时任务；

ScheduledThreadPoolExecutor：继承自ThreadPoolExecutor，并实现了ScheduledExecutorService接口，提供定时任务处理；

ForkJoinPool：一种任务分解的线程池，需要配合ForkJoinTask来使用。

线程池的创建

JDK中为开发者提供了一个线程池的工厂类 - Executors，Executors中提供了多个静态方法，用来创建不同配置的线程池。

• newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它里面只有一个工作线程，所有提交的异步任务都会放到一个先进先出的队列中按顺序执行。

所有的异步任务都使用同一个线程执行，且异步任务执行的顺序就是异步任务被提交到线程池中的顺序：

• newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程的线程池，当线程池中线程的长度超过了需要的数量，则会回收多余的线程，若没有可用线程，就会创建新的线程。

上面的代码中一次性提交了5个异步任务，每个异步任务内部耗时操作500ms，此时线程池就会不断创建新的线程来执行异步任务：

下面修改一下代码，每次向线程池中提交异步任务的时候等待1000ms：

再次执行代码，可以看到所有的异步任务会按顺序的在同一个线程中被执行，这是因为单个异步任务执行完毕之后，线程池并不会立即销毁线程，而是将线程缓存起来，等待下一个异步任务的提交，继续使用已经创建的线程来执行后面的异步任务，这样极大的减少了系统因为线程创建和销毁的损耗。

• newFixedThreadPool

创建一个线程数量固定、可重用的线程池。在使用newFixedThreadPool创建线程池的时候需要指定线程池中常驻线程的数量，在后续异步任务提交的时候，不管提交了多少个Runnable任务，线程池中始终只有指定数量的线程处理任务。

上面的代码中向newFixedThreadPool中一次性提交了10个任务，但是任务只会被3个线程分配执行。

newScheduledThreadPool

会创建一个可以处理定时任务的线程池，支持定时任务和周期性任务的执行。

上面的代码中创建了一个线程数量为2的定时线程池，通过scheduleAtFixedRate指定每隔500毫秒执行一次任务，并在5秒之后通过shutdown关闭定时任务。

线程池工作原理

线程池的机构：

上图是一个线程池的结构，在一个线程池中包含以下几部分：

• worker集合：使用HashSet保存所有核心线程和非核心线程；
• 等待队列：当核心核心线程的数量达到corePoolSize的时候，新提交的任务会被保存到等待队列中，等待队列是一个阻塞队列BlockingQueue；
• ctl：是一个AtomicInterger类型的数据，二进制高3位保存线程池的状态，低29位保存线程池中线程的数量；

线程池的构造方法

构造函数的参数说明：

• corePoolSize：表示核心线程的数量；
• maximumPoolSize：表示线程池最大可容纳同时执行的线程数量，必须大于等于1。如果maximumPoolSize等于corePoolSize，则为固定大小的线程池；
• keepAliveTime：表示线程池中线程空闲的时长，当线程空闲的时长达到这个值的时候，线程就会被销毁，直到线程池中剩余corePoolSize个线程；
• unit：用来指定keepAliveTime的时间单位；
• workQueue：等待队列，BlockingQueue类型，当请求数超过corePoolSize，任务会被首先缓存到等待队列中；
• threadFactory：线程工厂，线程池中使用它来创建线程；
• handler：执行拒绝策略的对象，当workQueue中的任务塞满，并且活动线程数量超过了maximumPoolSize的时候，线程池会通过该策略处理新的任务；

流程解析：

当我们通过execute或者submit向线程池提交任务，线程池在接收到任务之后，有以下几种情况：

• 1. 当前线程池中运行的线程数量还没有达到corePoolSize数量，线程池会创建一个新的线程来执行当前提交的任务，无论之前创建的线程是否处于空闲状态；
• 2. 当前线程池中运行的线程数量已经达到了corePoolSize数量，线程池会将新加入的任务放到等待队列中，直到某一个线程空闲了，线程池会根据等待队列中设置的优先级规则，取出一个任务执行；
• 3. 要是线程池中运行的线程数量大于corePoolSize，并且等待队列已满，但运行线程数量并没有达到最大线程数maximumPoolSize，此时线程池会创建新的线程来执行任务；
• 4. 要是提交的任务无法被核心线程处理，等待队列也已经塞满，有无法被非核心线程处理，线程池就会按照拒绝处理器（handler）来处理这个任务。如果没有为线程池定义RejectExecutionHandler，那么线程池就会抛出一个RejectExecutionException异常。

JDK中定义了4种保护策略：

禁止使用Executors

我们在使用多线程的时候，一般禁止使用线程池的工厂类进行线程池的创建，尤其是newFixedThreadPool和newCachedThreadPool这两个方法。

我们查看newFixedThreadPool方法和newSingleThreadExecutor方法创建线程池的过程：

可以看到线程池中传入了一个无界的阻塞队列，理论上可以添加无限个任务到线程池中，当我们向等待队列中塞入特别多的任务的时候，由于等待队列无限长，线程池永远不会执行任务丢弃的保护逻辑，就会导致OOM发生。

我们在看一下newCachedThreadPool的实现代码：

newCachedThreadPool在创建线程池的时候，声明的maximumPoolSize为Interger的最大值，当核心线程耗时很久的时候，线程池就会尝试创建新的线程执行任务，当内存中无法承受新线程的创建时，就会导致OOM发生。

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