Java多线程：CurrentHashMap

一、 背景

线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，合理的使用线程池可以对线程进行统一的分配、调优和监控，并有以下好处：

第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。

第三：提高线程的可管理性。

二、线程池的架构

三、Executors

用于创建线程池

newFixedThreadPool（固定大小线程池）

初始化一个指定线程数的线程池，其中corePoolSize == maximumPoolSize，使用LinkedBlockingQuene作为阻塞队列，不过当线程池没有可执行任务时，也不会释放线程。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
      return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

newCachedThreadPool（无界线程池，可以进行自动线程回收）

1、初始化一个可以缓存线程的线程池，默认缓存60s，使用SynchronousQueue作为阻塞队列；

2、和newFixedThreadPool创建的线程池不同，newCachedThreadPool在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime，会自动释放线程资源，当提交新任务时，如果没有空闲线程，则创建新线程执行任务，会导致一定的系统开销；

所以，使用该线程池时，一定要注意控制并发的任务数，否则创建大量的线程可能导致严重的性能问题。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

newSingleThreadExecutor（单个后台线程）

初始化的线程池中只有一个线程，如果该线程异常结束，会重新创建一个新的线程继续执行任务，唯一的线程可以保证所提交任务的顺序执行，内部使用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

newScheduledThreadPool

　　创建一个固定长度的线程池，而且以延迟或定时的方式来执行任务。

通过如上配置的线程池的创建方法源代码，我们可以发现：

　  1> 除了CachedThreadPool使用的是直接提交策略的缓冲队列以外，其余两个采用的都是无界缓冲队列

　  2> 三个线程池采用的ThreadPoolExecutor构造方法都是同一个，使用的都是默认的ThreadFactory和handler:

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();  

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                     int maximumPoolSize,
                     long keepAliveTime,
                     TimeUnit unit,
                     BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
        Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

提交任务用submit()，关闭线程池用shutdown()。

四、ExecutorService任务周期管理接口

Executor的实现通常都会创建线程来执行任务，但是使用异步方式来执行任务时，由于之前提交任务的状态不是立即可见的，所以如果要关闭应用程序时，就需要将受影响的任务状态反馈给应用程序。

为了解决执行服务的生命周期问题，Executor扩展了EecutorService接口，添加了一些用于生命周期管理的方法。如下：

public interface ExecutorService extends Executor {
    void shutdown();
    List<Runnable> shutdownNow();
    boolean isShutdown();
    boolean isTerminated();
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    // 省略部分方法
}

五、ThreadPoolExecutor

线程池的主要工作流程如下图：

类中定义的重要变量，如下：

  1. private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              // 阻塞队列
  2. private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   // 互斥锁
  3. private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();// 线程集合.一个Worker对应一个线程
  4. private final Condition termination = mainLock.newCondition();// 终止条件
  5. private int largestPoolSize;           // 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。
  6. private long completedTaskCount;       // 已完成任务数量
  7. private volatile ThreadFactory threadFactory;     // ThreadFactory对象，用于创建线程。
  8. private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒绝策略的处理句柄
  9. private volatile long keepAliveTime;   // 线程池维护线程所允许的空闲时间
  10. private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
  11. private volatile int corePoolSize;     // 线程池维护线程的最小数量，哪怕是空闲的
  12. private volatile int maximumPoolSize;  // 线程池维护的最大线程数量

其中有几个重要的规则需要说明一下：

1> corePoolSize与maximumPoolSize

线程池将根据 corePoolSize和 maximumPoolSize设置的边界自动调整池大小，当新任务在方法 execute() 中提交时：

  • 如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize，则每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务；
  • 如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，则每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中，若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行；当队列满时才创建新线程去处理请求；
  • 如果当前线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，即队列已经满了，则通过handler所指定的任务拒绝策略来处理新请求；
  • 如果线程池中的线程数量大于corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；

也就是说，处理任务的优先级为：

  • 1. 核心线程corePoolSize > 任务队列workQueue > 最大线程maximumPoolSize，如果三者都满了，使用handler处理被拒绝的任务。
  • 2. 当池中的线程数大于corePoolSize的时候，多余的线程会等待keepAliveTime长的时间，如果无请求可处理就自行销毁。

2> workQueue

线程池所使用的缓冲队列，该缓冲队列的长度决定了能够缓冲的最大数量，缓冲队列有三种通用策略：

　　1) 直接提交。SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程执行而不保存它们。在此，如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。

　　2) 无界队列。使用无界队列将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize。（因此，maximumPoolSize 的值也就无效了。）当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；

　　3) 有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时，有界队列（如 ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞（例如，如果它们是 I/O 边界），则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU 使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量.

3>ThreadFactory

使用 ThreadFactory 创建新线程。通过提供不同的 ThreadFactory，可以改变线程的名称、线程组、优先级、守护进程状态等等。如果从 newThread 返回 null 时 ThreadFactory 未能创建线程，则执行程序将继续运行，但不能执行任何任务。

  1. public interface ThreadFactory {
  2. Thread newThread(Runnable r);
  3. }

而构造方法中的threadFactory对象，是通过 Executors.defaultThreadFactory()返回的。

4>RejectedExecutionHandler

当Executor已经关闭（即执行了executorService.shutdown()方法后），并且Executor将有限边界用于最大线程和工作队列容量，且已经饱和时，在方法execute()中提交的新任务将被拒绝.

　  在以上述情况下，execute 方法将调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution() 方法。

下面提供了四种预定义的处理程序策略：

1) AbortPolicy      直接抛出异常 RejectedExecutionException;

　　　　2) CallerRunsPolicy    用调用者所在的线程来执行任务

　　　　3) DiscardPolicy    不能执行的任务将被删除;

　　　　4) DiscardOldestPolicy    如果执行程序尚未关闭，则位于工作队列头部的任务将被删除，然后重试执行程序（如果再次失败，则重复此过程）。

5>keepAliveTime

线程空闲时的存活时间，即当线程没有任务执行时，继续存活的时间；默认情况下，该参数只在线程数大于corePoolSize时才有用；

六、线程池的关闭

通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池，但是它们的实现原理不同，shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。shutdownNow是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。shutdownNow会首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于我们应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown来关闭线程池，如果任务不一定需要执行完，则可以调用shutdownNow。

七、线程池的配置

可以从以下几个角度来进行分析：

1. 任务的性质：CPU密集型任务，IO密集型任务和混合型任务。

2. 任务的优先级：高，中和低。

3. 任务的执行时间：长，中和短。

4. 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

CPU密集型任务配置尽可能少的线程数量，如配置Ncpu+1个线程的线程池。

IO密集型任务则由于需要等待IO操作，线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。

混合型的任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率，如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。

我们可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先得到执行，需要注意的是如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者也可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，如果等待的时间越长CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置越大，这样才能更好的利用CPU。

建议使用有界队列，有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点

时间： 2024-10-30 02:56:54

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