Java 執行緒池之ThreadPoolExecutor學習總結-有解無憂

前提

java version "1.8.0_25"

池簡述

軟體開發活動中，我們經常會聽到資料庫連接池、記憶體池、執行緒池等各種“池”概念，這些“池”到底是什么東西呢？程式的世界里，我們可以將池簡單的理解為一種容器類資料結構，比如串列，程式處理資訊的程序中，可能會依賴某些資源或者物件(暫且統一稱之為物件)，比如資料庫連接，來執行一些高頻操作，比如資料表查詢，此時，如果被依賴物件的存活時間比較短，那就意味著需要頻繁的創建和銷毀物件，這可能會很耗時、耗系統資源(CPU、記憶體、磁盤、網路等)，為了解決這個問題，進行程式設計時，可能會考慮在程式初始化時，預先創建一批所需物件，并存盤到池中，或者根據需要即時創建物件，并在使用完成后，將物件添加到池中，這樣，當程式需要(再次)使用物件時，可以直接從池中直接獲取現有的物件，節省了頻繁創建和銷毀物件帶來的資源浪費，這就是池的作用，為程式提供復用物件或者提前分配資源的能力，

ThreadPoolExecutor執行緒池介紹

下文僅針對執行緒池的一些要點做介紹

任務處理流程

核心執行緒池大小(`corePoolSize`)和最大執行緒池大小(`maximumPoolSize`)

ThreadPoolExecutor會根據corePoolSize(保持存活(不允許超時退出等)的最小作業執行緒數，如果設定了allowCoreThreadTimeOut為true，則該值為0，可通過getPoolSize方法獲取該值) 和maximumPoolSize(執行緒池中允許的最大執行緒數，可通過getMaximumPoolSize獲取該值)設定的界限自動調整執行緒池的大小，

當通過execute(Runnable) 方法提交新任務后，如果正在運行的執行緒的數量小于corePoolSize，則創建新執行緒來處理請求，即使存在其它空閑的作業執行緒，否則如果正在運行的執行緒的數量大于corePoolSize，但小于maximumPoolSize，則僅僅在佇列已經滿時才會創建新執行緒來處理請求，設定corePoolSize等于maximumPoolSize則表示創建一個固定大小的執行緒池，

通過設定maximumPoolSize為基本無界的值，例如Integer.MAX_VALUE，則允許執行緒池容納任意并發任務數，大多數情況下，corePoolSize和maximumPoolSize僅在構建時設定，但也可以分別用使用setCorePoolSize和setMaximumPoolSize對其進行動態更改，

按需創建執行緒

默認情況下，僅在新任務到達時創建和啟動執行緒，即便是核心執行緒，可以使用prestartCoreThread或者prestartAllCoreThreads對此進行動態更改，如果使用非空佇列構造執行緒池，你可能會想預先啟動執行緒，

創建新執行緒

使用ThreadFactory創建新執行緒，如果未指定，則使用Executors.defaultThreadFactory，其創建的執行緒都位于相同執行緒組，且擁有相同的優先級NORM_PRIORITY以及非守護狀態，通過提供不同的執行緒工程ThreadFactory，可以修改執行緒的名稱，執行緒組，優先級，守護狀態等等，當newThread回傳null時，ThreadFactory將無法創建執行緒，此時執行器繼續運行，但是可能無法執行任何任務，執行緒應該擁有modifyThread RuntimePermission，如果作業執行緒或者其它執行緒使用不具有該權限的執行緒池，服務可能被降級：配置變更可能不會及時生效，且關閉執行緒池可能會保留終止但未完成的狀態，

執行緒保持存活時間

如果執行緒池當前擁有多于corePoolSize數量的執行緒，則空閑時間超過keepAliveTime(可通過getKeepAliveTime(TimeUnit)方法獲取)的執行緒將被終止，以減少資源消耗，可以通過setKeepAliveTime(long,TimeUnit)方法動態改變該引數值，使用setKeepAliveTime(Long.MAX_VALUE, NANOSECONDS)可以有效的阻止空閑執行緒在關閉之前終止，默認情況下，keep-alive策略僅在執行緒池中執行緒數多余corePoolSize時起作用，keepAliveTime的值不為0的情況下，可通過allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法將keep-alive策略應用于核心執行緒，

排隊(Queuing)

BlockingQueue用于傳輸和容納提交的任務，此佇列的使用與執行緒池大小變化相關：

如果執行緒池中當前執行緒數少于corePoolSize，那么Executor總是優先創建新執行緒來處理任務請求，而不是讓任務請求排隊
如果執行緒池中當前執行緒數等于或者多余corePoolSize，那么Executor總是優先讓任務排隊，而不是創建新執行緒
如果無法讓任務請求排隊(比如任務佇列已滿)，且執行緒池中當前執行緒數未超過maximumPoolSize，則創建一個新執行緒來處理任務請求，否則將拒絕該任務請求

三種排隊策略：

直接傳遞(Direct handoffs)

SynchronousQueue是作業佇列(workQueue)的一個默認好選擇，它將任務交給執行緒，而不是保留它們，此時，如果沒有立即可用的執行緒，將構造新執行緒，因為讓任務排隊的嘗試將會失敗，此策略在處理可能具有內部依賴關系的請求集時避免鎖定，通常需要無界的maximumPoolSize，以避免拒絕新任務的提交，這反過來說明當任務平均提交速度持續大于平均處理速度時，執行緒數無限增長的可能性，如果使用newCachedThreadPool創建執行緒池則表示使用直接傳遞策略
無界佇列(Unbounded queues)

當所有核心執行緒都繁忙時，使用無界佇列（例如，沒有預定義容量的LinkedBlockingQueue）將導致新任務在佇列中等待，從而導致沒有多余corePoolSize的執行緒被創建（maximumPoolSize的值不起任何作用），當每個任務完全彼此獨立，互不影響執行時，這可能是合適的，例如，在網頁服務器中，這種排隊方式用于平滑瞬時大量請求時很有用，需要注意的是，當任務平均提交速度持續大于平均處理速度時，可能會導致無界佇列無限增長，如果使用newFixedThreadPool 創建執行緒池則表示使用無界佇列，
有界佇列(Bounded queues)

有界佇列（例如，ArrayBlockingQueue）配合maximumPoolSizes使用有助于防止資源耗盡，但是難以調整和控制，佇列大小和最大執行緒池大小需要相互權衡：使用大佇列和較小的執行緒池可以最大限度地減少CPU使用率，作業系統資源和背景關系切換開銷，但是會導致人為的低吞吐量，如果任務頻繁被阻塞（比如I/O限制），那么系統可以調度比我們允許的更多的執行緒，使用小佇列通常需要較大的執行緒池，這會讓CPU保持繁忙，但可能會產生不可接受的調度開銷，這也會降低吞吐量，

拒絕處理任務

當Executor已關閉、使用有界的執行緒池、作業佇列，且達到最大值時，通過方法execute(Runnable)提交的任務將被拒絕，在任何一種情況下，execute方法呼叫其RejectedExecutionHandler的rejectedExecution(Runnable，ThreadPoolExecutor)方法，提供以下4種預定義處理策略：
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy（默認策略）
拒絕任務時，處理器會拋出一個運行時例外RejectedExecutionException，

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy
呼叫execute的執行緒自己運行任務，這提供了一個簡單的反饋控制機制，將會降低新任務提交的速率，

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy
不能被執行的任務將被拋棄

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy
如果Executor已關閉，作業佇列隊首的任務被丟棄，然后重試執行，(重試也可能失敗，導致重復執行前面的動作）

可以定義和使用其他型別的RejectedExecutionHandler類，這樣做需要一些謹慎，特別是當策略被設計為僅在特定容量或者佇列策略下有效時

執行緒運行狀態

該執行緒池使用了一個runState來對執行緒進行主要生命周期控制，具有以下值：

RUNNING: 接收新任務并且處理排隊的任務
SHUTDOWN: 不接收新任務，但是處理排隊的任務，
STOP: 不接收新任務，不處理排隊的任務，并且中斷正在進行的任務，
TIDYING: 所有任務已終止，workerCount為0，執行緒轉為TIDYING狀態將會運行terminated() hook方法，
TERMINATED: terminated()已經運行完，

這些值之間的數字順序很重要，為了支持有序比較，runState會隨著時間單調遞增，但不需要達到每個狀態，

狀態轉換如下：
RUNNING -> SHUTDOWN
呼叫shutdown()時，可能隱式的在finalize()中呼叫

RUNNING 或者 SHUTDOWN -> STOP
呼叫shutdownNow()時

SHUTDOWN -> TIDYING
當作業佇列和執行緒池都為空時
STOP -> TIDYING
執行緒池為空時

TIDYING -> TERMINATED
當terminated() hook方法運行完成時，

執行緒的析構(Finalization)

如果執行緒池不再被程式參考且沒有剩余的執行緒，執行緒池將被關閉，如果希望確保未被參考的執行緒池被回收，即使用戶用戶忘記呼叫shutdown，則必須通過適當的keep-alive配置，使用更低的下限--0核心執行緒數或者設定allowCoreThreadTimeOut(boolean)，確保未使用的執行緒最侄訓消亡，

作者：授客
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