线程池原理(一)线程池核心概述

news2024/11/25 1:28:49

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线程回顾


创建线程的方式

  • 继承 Thread 类
  • 实现 Runnable 接口

创建后的线程有如下状态:

NEW:新建的线程,无任何操作

public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "is running"));
        Thread.State state = thread.getState();
        // 线程刚创建还未执行,状态为 NEW
        System.out.println(state);
    }

RUNNABLE:可执行的线程,在 JVM 中执行但是在等待操作系统的资源

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "is running"));
    thread.start();
    Thread.State state = thread.getState();
    // 调用 start() 方法,可以执行,但不代表一定在执行
    System.out.println(state);
}

BOLCKED:阻塞,获取不到锁

public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (Test.class) {
                try {
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (Test.class) {
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 等待,保证 线程1 开始执行
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread.State state = thread2.getState();
        System.out.println(state);
    }

WAITING:等待,等待其他线程进行操作,时间不确定

public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(LockSupport::park);
        thread.start();
        // 等待线程开始执行
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);

        // 等待状态解除禁止,线程执行完毕
        LockSupport.unpark(thread);
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        state = thread.getState();
        System.out.println(state);
    }

TIMED_WAITING:等待,等待的时间是确定的

public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);
    }

TERMINATED:终止,线程已经运行完毕

public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "is running"));
        thread.start();
        try {
            // 等待线程执行完毕
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);
    }

引入线程池


上述创建线程的方式存在如下缺陷:

  • 线程使用完后会被销毁,高并发场景下频繁创建和销毁线程的性能开销不可忽略
  • 无法控制线程并发数量,线程过多会导致 JVM 宕机

线程池是一种池化思想,由于创建和销毁线程需要时间,以及系统资源开销,我们需要一个“管理者"来统一管理线程及任务分配,减少这些开销,解决资源不足的问题。

在主要大厂的编程规范中,不允许在应用中自行显式地创建线程,线程必须通过线程池提供。


线程池解决了什么问题


  • 降低系统资源消耗,通过重用已存在的线程,降低线程创建和销毁造成的消耗:
  • 提高系统响应速度,当有任务到达时,通过复用已存在的线程,无需等待新线程的创建便能立即执行:
  • 方便线程并发数的管控。因为线程若是无限制的创建,可能会导致内存占用过多而产生OOM
  • 节省CPU切换线程的时间成本(需要保持当前执行线程的现场,并恢复要执行线程的现场)。
  • 提供更强大的功能,延时定时线程池

线程池引发了什么问题


  • 异步任务提交后,如果JVM宕机,已提交的任务会丢失,需要考虑确认机制
  • 使用不合理可能导致内存溢出问题
  • 参数过多,代码结构引入数据结构与算法,增加使用难度

线程池概述


线程池继承结构


在这里插入图片描述

  • 最常用的是 ThreadPoolExecutor
  • 调度用 ScheduledThreadPoolExecutor,类似 Timer 和 TimerTask。
  • 任务拆分合并用 ForkJoinPool
  • Executors是工具类,协助创建线程池的

线程池工作状态


在这里插入图片描述

  • RUNNING(运行状态):这是线程池的初始状态。

    • 在此状态下,线程池接受新任务,并且也会处理等待队列中的任务。
    • 线程池的线程会一直运行,直到被转换到其他状态。
  • SHUTDOWN(关闭状态):当调用线程池的shutdown()方法时,线程池会进入此状态。

    • 在此状态下,线程池不接受新任务,但会继续处理等待队列中的任务。
    • 等待队列中的任务处理完毕后,线程池中的线程会逐渐结束,直到所有线程结束运行。
  • STOP(停止状态):当调用线程池的shutdownNow()方法时,线程池会进入此状态。

    • 在此状态下,线程池不接受新任务,同时也不处理等待队列中的任务
    • 而是尝试停止所有正在执行的任务,并且回收线程池中的所有线程。
  • TIDYING(整理状态):当所有的任务已经终止,workerCount(工作线程数)为0时,线程池会进入此状态。

    • 此时,会执行terminated()钩子方法,允许线程池执行一些收尾工作。
  • TERMINATED(终止状态):terminated()钩子方法执行完毕后,线程池会进入此状态。

    • 在终止状态下,线程池的任务完全结束,不再有任何活动。

七个核心参数


参数名描述
corePoolSize核心线程池基本大小,核心线程数
maximumPoolSize线程池最大线程数
keepAliveTime线程空闲后的存活时间
TimeUnit unit线程空闲后的存活时间单位
BlockingQueue workQueue存放任务的阻塞队列
ThreadFactory threadFactory创建线程的工厂
RejectedExecutionHandler handler当阻塞队列和最大线程池都满了之后的饱和策略

corePoolSize

核心线程数

  • 线程池刚创建时,线程数量为0,当每次执行 execute 添加新的任务时会在线程池创建一个新的线
    程,直到线程数量达到 corePoolSize 为止。
  • 核心线程会一直存活,即使没有任务需要执行,当线程数小于核心线程数时,即使有线程空闲,线程
    池也会优先创建新线程处理
  • 设置 allowCoreThreadTimeout=true (默认false)时,核心线程超时会关闭

maximumPoolSize

最大线程数

  • 当池中的线程数 >= corePoolSize ,且任务队列已满时。线程池会创建新线程来处理任务
  • 当池中的线程数 = maximumPoolSize ,且任务队列已满时,线程池会拒绝处理任务而抛出异常

如果使用无界的阻塞队列,该参数不生效


BlockingQueue

阻塞队列

  • 当线程池正在运行的线程数量已经达到 corePoolSize ,那么再通过 execute 添加新的任务则会被加到 workQueue 队列中
  • 任务会在队列中排队等待执行,而不会立即执行
  • 一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:ArrayBlockingQueue , LinkedBlockingQueue , SynchronousQueue

keepAliveTime & TimeUnit

保活时间及其单位

  • 当线程空闲时间达到 keepAliveTime 时,线程会退出,直到线程数量 =corePoolSize
  • 如果 allowCoreThreadTimeout=true ,则会直到线程数量=0

keepAliveTime 是时间的大小,TimeUnit 是时间单位


ThreadFactory

线程工厂

  • 主要用来创建线程
  • 通过newThread()方法提供创建线程,该方法创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是默认优先级”

RejectedExecutionHandler

拒绝策略

  • 当线程数已经达到 maxPoolSize ,且队列已满,会拒绝新任务
  • 当线程池被调用 shutdown() 后,会等待线程池里的任务执行完毕,再 shutdown 。如果在调用shutdown() 和线程池真正 shutdown 之间提交任务,会拒绝新任务
  • 当拒绝处理任务时线程池会调用 rejectedExecutionHandler 来处理这个任务。

如果没有设置默认是 AbortPolicy ,另外在 ThreadPoolExecutor 类有几个内部实现类来处理这类情况:

  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy :丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常。
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy :由调用线程处理该任务
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy :也是丢弃任务,但是不抛出异常
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy :丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务

另外实现 RejectedExecutionHandler 接口即可实现自定义的拒绝策略


线程池逻辑结构


线程池的编程模式下,任务是提交给整个线程池,而不是直接提交给某个线程,线程池在拿到任务后,就在内部协调空闲的线程,如果有,则将任务交给某个空闲的华线程。

一个线程同时只能执行一个任务,但可以同时向一个线程池提交多个任务。在这里插入图片描述

当一个任务被提交,线程池会进行如下工作:

  • 首先判断当前的核心线程数量如果小于核心线程数,创建一个核心线程并执行任务

  • 如果大于核心线程数,则尝试将其放入等待队列,如果队列没有满则放入队列等待执行

  • 如果队列已满,则判断非核心线程数的数量+核心线程数是否小于最大线程数量

  • 小于:则创建一个非核心线程并执行任务(并不会取队列中的任务)

  • 大于:执行拒绝策略


线程池线程数设置


虽然使用线程池的好处很多,但是如果其线程数配置得不合理,不仅可能达不到预期效果,反而可能降低应用的性能。

因此按照任务类型分类,对不同的任务类型确定不同的线程数量。


任务类型分类

  • IO密集型任务:
    • 此类任务主要是执行 IO 操作。由于执行 lO 操作的时间较长,导致 CPU 的利用率不高,这类任务 CPU 常处于空闲状态。
    • Netty 的 IO 读写操作为此类任务的典型例子
  • CPU 密集型任务:
    • 此类任务主要是执行计算任务。由于响应时间很快,CPU 一直在运行,这种任务 CPU 的利用率很高。
    • 例如设计加密解密算法等大量需要 CPU 运算的场景
  • 混合型任务:
    • 此类任务既要执行逻辑计算,又要进行 IO 操作(如 RPC 调用、数据库访问)相对来说,由于执行 IO 操作的耗时较长(一次网络往返往往在数百毫秒级别),这类任务的 CPU 利用率也不是太高。
    • Web 服务器的 HTTP 请求处理操作为此类任务的典型例子

确定任务线程数

  • IO 密集型任务:

    • 由于 IO 密集型任务的CPU使用率较低,导致线程空余时间很多,因此通常需要开 CPU 核心数两倍的线程
    • Netty 的 IO 处理任务就是典型的 IO 密集型任务,所以,Netty 的 Reactor 实现类(定制版的线程池)的 IO 处理线程数默认正好为 CPU 核数的两倍
  • CPU密集型任务:

    • CPU 密集型的任务并行的任务越多,花在任务切换的时间就越多,CPU 执行任务的效率就越低,一般开等于 CPU 的核心数的线程数量
    • 比如 4 个核心的 CPU,通过 4 个线程并行地执行 4 个 CPU 密集型任务,此时的效率是最高的。但是如果线程数远远超出 CPU 核心数量,就需要频繁地切换线程,线程上下文切换时需要消耗时间,反而会使得任务效率下降。
  • 混合型任务:

    • 业界有一个比较成熟的估算公式,具体如下:

    • 最佳线程数 = ((线程等待时间 + 线程 CPU 时间) / 线程 CPU 时间) * CPU核数
      
    • 通过公式可以看出:等待时间所占的比例越高,需要的线程就越多,CPU 耗时所占的比例越高,需要的线程就越少

    • 比如在 Web 服务器处理 HTTP 请求时,假设平均线程 CPU 运行时间为 100 毫秒,而线程等待时间(比如包括 DB 操作、RPC 操作作、缓存操作等)为 900 毫秒,如果 CPU 核数为 8 那么根据上面这个公式,估算如下:(900 毫秒+100 毫秒) / 100 毫秒 * 8 = 10 * 8 = 80,最好开 80 个线程

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