Java并发编程—Executor与线程池：如何创建正确的线程池？

发布日期: 2023-07-04

更新日期: 2023-07-04

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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？应对方案估计你已经知道了，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，我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。若你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){
  }
}

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。你可以来思考一下，假设我们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，你翻遍 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，我们创建了一个非常简单的线程池 MyThreadPool，你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){ ①
					Runnable 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，我们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？

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)

下面我们一一介绍这些参数的意义，你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。

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
}

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。

创建线程池设置合适的线程数非常重要，这部分内容，你可以参考Java并发编程—Java线程（中）：创建多少线程才是合适的？的内容。另外《Java 并发编程实战》的第 7 章《取消与关闭》的 7.3 节“处理非正常的线程终止” 详细介绍了异常处理的方案，第 8 章《线程池的使用》对线程池的使用也有更深入的介绍，如果你感兴趣或有需要的话，建议你仔细阅读。