Executor与线程池

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于Executor与线程池。

虽然在 Java 语言中创建线程看上去就像创建一个对象一样简单，只需要 new Thread() 就可以了，但实际上创建线程远不是创建一个对象那么简单。

创建对象，仅仅是在 JVM 的堆里分配一块内存而已；而创建一个线程，却需要调用操作系统内核的 API，然后操作系统要为线程分配一系列的资源，这个成本就很高了，所以线程是一个重量级的对象，应该避免频繁创建和销毁。那如何避免呢？.应对方案估计已经知道了，那就是线程池。

线程池的需求是如此普遍，所以 Java SDK 并发包自然也少不了它。但是很多人在初次接触并发包里线程池相关的工具类时，多少会都有点蒙，不知道该从哪里入手，觉得根本原因在于线程池和一般意义上的池化资源是不同的。

一般意义上的池化资源，都是下面这样，当你需要资源的时候就调用 acquire() 方法来申请资源，用完之后就调用 release() 释放资源。

若带着这个固有模型来看并发包里线程池相关的工具类时，会很遗憾地发现它们完全匹配不上，Java 提供的线程池里面压根就没有申请线程和释放线程的方法。


class XXXPool{// 获取池化资源XXX acquire() {}// 释放池化资源void release(XXX x){}
}

一、线程池是一种生产者 - 消费者模式

为什么线程池没有采用一般意义上池化资源的设计方法呢？

如果线程池采用一般意义上池化资源的设计方法，应该是下面示例代码这样。

可以来思考一下，假设获取到一个空闲线程 T1，然后该如何使用 T1 呢？

你期望的可能是这样：通过调用 T1 的 execute() 方法，传入一个 Runnable 对象来执行具体业务逻辑，就像通过构造函数 Thread(Runnable target) 创建线程一样。

可惜的是，翻遍 Thread 对象的所有方法，都不存在类似 execute(Runnable target) 这样的公共方法。


//采用一般意义上池化资源的设计方法
class ThreadPool{// 获取空闲线程Thread acquire() {}// 释放线程void release(Thread t){}
}
//期望的使用
ThreadPool pool；
Thread T1=pool.acquire();
//传入Runnable对象
T1.execute(()->{//具体业务逻辑......
});

所以，线程池的设计，没有办法直接采用一般意义上池化资源的设计方法。那线程池该如何设计呢？

目前业界线程池的设计，普遍采用的都是生产者 - 消费者模式。线程池的使用方是生产者，线程池本身是消费者。

在下面的示例代码中，创建了一个非常简单的线程池 MyThreadPool，可以通过它来理解线程池的工作原理。


//简化的线程池，仅用来说明工作原理
class MyThreadPool{//利用阻塞队列实现生产者-消费者模式BlockingQueue<Runnable> workQueue;//保存内部工作线程List<WorkerThread> threads = new ArrayList<>();// 构造方法MyThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){this.workQueue = workQueue;// 创建工作线程for(int idx=0; idx<poolSize; idx++){WorkerThread work = new WorkerThread();work.start();threads.add(work);}}// 提交任务void execute(Runnable command){workQueue.put(command);}// 工作线程负责消费任务，并执行任务class WorkerThread extends Thread{public void run() {//循环取任务并执行while(true){ ①Runnable task = workQueue.take();task.run();} }}
}/** 下面是使用示例 **/
// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10, workQueue);
// 提交任务
pool.execute(()->{System.out.println("hello");
});

在 MyThreadPool 的内部，维护了一个阻塞队列 workQueue 和一组工作线程，工作线程的个数由构造函数中的 poolSize 来指定。

用户通过调用 execute() 方法来提交 Runnable 任务，execute() 方法的内部实现仅仅是将任务加入到 workQueue 中。

MyThreadPool 内部维护的工作线程会消费 workQueue 中的任务并执行任务，相关的代码就是代码①处的 while 循环。

线程池主要的工作原理就这些，是不是还挺简单的？

二、如何使用 Java 中的线程池

Java 并发包里提供的线程池，远比我们上面的示例代码强大得多，当然也复杂得多。

Java 提供的线程池相关的工具类中，最核心的是 ThreadPoolExecutor，通过名字你也能看出来，它强调的是 Executor，而不是一般意义上的池化资源。

ThreadPoolExecutor 的构造函数非常复杂，如下面代码所示，这个最完备的构造函数有 7 个参数。


ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler)

下面一一介绍这些参数的意义，可以把线程池类比为一个项目组，而线程就是项目组的成员。

corePoolSize：表示线程池保有的最小线程数。有些项目很闲，但是也不能把人都撤了，至少要留 corePoolSize 个人坚守阵地。
maximumPoolSize：表示线程池创建的最大线程数。当项目很忙时，就需要加人，但是也不能无限制地加，最多就加到 maximumPoolSize 个人。当项目闲下来时，就要撤人了，最多能撤到 corePoolSize 个人。
keepAliveTime & unit：上面提到项目根据忙闲来增减人员，那在编程世界里，如何定义忙和闲呢？很简单，一个线程如果在一段时间内，都没有执行任务，说明很闲，keepAliveTime 和 unit 就是用来定义这个“一段时间”的参数。也就是说，如果一个线程空闲了keepAliveTime & unit这么久，而且线程池的线程数大于 corePoolSize ，那么这个空闲的线程就要被回收了。
workQueue：工作队列，和上面示例代码的工作队列同义。
threadFactory：通过这个参数你可以自定义如何创建线程，例如你可以给线程指定一个有意义的名字。
handler：通过这个参数你可以自定义任务的拒绝策略。如果线程池中所有的线程都在忙碌，并且工作队列也满了（前提是工作队列是有界队列），那么此时提交任务，线程池就会拒绝接收。至于拒绝的策略，你可以通过 handler 这个参数来指定。ThreadPoolExecutor 已经提供了以下 4 种策略。
- CallerRunsPolicy：提交任务的线程自己去执行该任务。
- AbortPolicy：默认的拒绝策略，会 throws RejectedExecutionException。
- DiscardPolicy：直接丢弃任务，没有任何异常抛出。
- DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，其实就是把最早进入工作队列的任务丢弃，然后把新任务加入到工作队列。

Java 在 1.6 版本还增加了 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 方法，它可以让所有线程都支持超时，这意味着如果项目很闲，就会将项目组的成员都撤走。

三、使用线程池要注意些什么

考虑到 ThreadPoolExecutor 的构造函数实在是有些复杂，所以 Java 并发包里提供了一个线程池的静态工厂类 Executors，利用 Executors 你可以快速创建线程池。

不过目前大厂的编码规范中基本上都不建议使用 Executors 了，所以这里我就不再花篇幅介绍了。不建议使用 Executors 的最重要的原因是：

Executors 提供的很多方法默认使用的都是无界的 LinkedBlockingQueue，高负载情境下，无界队列很容易导致 OOM，而 OOM 会导致所有请求都无法处理，这是致命问题。所以强烈建议使用有界队列。

使用有界队列，当任务过多时，线程池会触发执行拒绝策略，线程池默认的拒绝策略会 throw RejectedExecutionException 这是个运行时异常，对于运行时异常编译器并不强制 catch 它，所以开发人员很容易忽略。

因此默认拒绝策略要慎重使用。如果线程池处理的任务非常重要，建议自定义自己的拒绝策略；并且在实际工作中，自定义的拒绝策略往往和降级策略配合使用。

使用线程池，还要注意异常处理的问题，例如通过 ThreadPoolExecutor 对象的 execute() 方法提交任务时，如果任务在执行的过程中出现运行时异常，会导致执行任务的线程终止；

不过，最致命的是任务虽然异常了，但是你却获取不到任何通知，这会让你误以为任务都执行得很正常。

虽然线程池提供了很多用于异常处理的方法，但是最稳妥和简单的方案还是捕获所有异常并按需处理，你可以参考下面的示例代码。


try {//业务逻辑
} catch (RuntimeException x) {//按需处理
} catch (Throwable x) {//按需处理
}

四、总结

线程池在 Java 并发编程领域非常重要，很多大厂的编码规范都要求必须通过线程池来管理线程。

线程池和普通的池化资源有很大不同，线程池实际上是生产者 - 消费者模式的一种实现，理解生产者 - 消费者模式是理解线程池的关键所在。

使用线程池，默认情况下创建的线程名字都类似pool-1-thread-2这样，没有业务含义。而很多情况下为了便于诊断问题，都需要给线程赋予一个有意义的名字，那你知道有哪些办法可以给线程池里的线程指定名字吗？

//1.给线程池设置名称前缀
ThreadPoolTaskExecutor threadPoolTaskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();
threadPoolTaskExecutor.setThreadNamePrefix("CUSTOM_NAME_PREFIX");//2. 在ThreadFactory中自定义名称前缀
class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {Thread thread = new Thread("CUSTOM_NAME_PREFIX");return thread;}}
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10,100,120,TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(),new CustomThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

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