小宇:闪客,我最近看到线程池,被里边乱七八槽的参数给搞晕了,你能不能给我讲讲呀?

闪客:没问题,这个我擅长,咱们从一个最简单的情况开始,假设有一段代码,你希望异步执行它,是不是要写出这样的代码?

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new Thread(r).start();

小宇:嗯嗯,最简单的写法似乎就是这样呢。

闪客:这种写法当然可以完成功能,可是你这样写,老王这样写,老张也这样写,程序中到处都是这样创建线程的方法,能不能写一个统一的工具类让大家调用呢?

小宇:可以的,感觉有一个统一的工具类,更优雅一些。

闪客:那如果让你来设计这个工具类,你会怎么写呢?我先给你定一个接口,你来实现。

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public interface Executor {
public void execute(Runnable r);
}

小宇:emmm,我可能先定义几个成员变量,比如核心线程数、最大线程数 …反正就是那些乱七八糟的参数。

闪客:STOP!小宇呀,你现在深受面试手册的毒害,你先把这些全部的概念忘掉,就说让你写一个最简单的工具类,第一反应,你会怎么写?

第一版

小宇:那我可能会这样

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// 新线程:直接创建一个新线程运行
class FlashExecutor implements Executor {
public void execute(Runnable r) {
new Thread(r).start();
}
}

闪客:嗯嗯很好,你的思路非常棒。

小宇:啊,我这个会不会太 low 了呀,我还以为你会骂我呢。

怎么会, Doug Lea 大神在 JDK 源码注释中给出的就是这样的例子,这是最根本的功能。你在这个基础上,尝试着优化一下?

第二版

小宇:还能怎么优化呢?这不已经用一个工具类实现了异步执行了嘛!

闪客:我问你一个问题,假如有 10000 个人都调用这个工具类提交任务,那就会创建 10000 个线程来执行,这肯定不合适吧!能不能控制一下线程的数量呢?

小宇:这不难,我可以把这个任务 r 丢到一个 tasks 队列中,然后只启动一个线程,就叫它 Worker 线程吧,不断从 tasks 队列中取任务,执行任务。这样无论调用者调用多少次,永远就只有一个 Worker 线程在运行,像这样。

闪客:太棒了,这个设计有了三个重大的意义:

  1. 控制了线程数量。

  2. 队列不但起到了缓冲的作用,还将任务的提交与执行解耦了。

  3. 最重要的一点是,解决了每次重复创建和销毁线程带来的系统开销。

小宇:哇真的么,这么小的改动有这么多意义呀。

闪客:那当然,不过只有一个后台的工作线程 Worker 会不会少了点?还有如果这个 tasks 队列满了怎么办呢?

第三版

小宇:哦,的确,只有一个线程在某些场景下是很吃力的,那我把 Worker 线程的数量增加?

闪客:没错,Worker 线程的数量要增加,但是具体数量要让使用者决定,调用时传入,就叫核心线程数 corePoolSize 吧。

小宇:好的,那我这样设计。

  1. 初始化线程池时,直接启动 corePoolSize 个工作线程 Worker 先跑着。

  2. 这些 Worker 就是死循环从队列里取任务然后执行。

  3. execute 方法仍然是直接把任务放到队列,但队列满了之后直接抛弃

闪客:太完美了,奖励你一块费列罗吧。

小宇:哈哈谢谢,那我先吃一会儿哈。

闪客:好,你边吃我边说。现在我们已经实现了一个至少不那么丑陋的线程池了,但还有几处小瑕疵,比如初始化的时候,就创建了一堆 Worker 线程在那空跑着,假如此时并没有异步任务提交过来执行,这就有点浪费了。

小宇:哦好像是诶!

闪客:还有,你这队列一满,就直接把新任务丢弃了,这样有些粗暴,能不能让调用者自己决定该怎么处理呢?

小宇:哎呀,想不到我这么温柔的妹纸居然写出了这么粗暴的代码。

闪客:额,你先把费列罗咽下去吧。

第四版

小宇:我吃完了,现在脑子有点不够用了,得先消化消化食物,要不你帮我分析分析吧。

闪客:好的,现在我们做出如下改进。

1. 按需创建Worker:刚初始化线程池时,不再立刻创建 corePoolSize 个工作线程,而是等待调用者不断提交任务的过程中,逐渐把工作线程 Worker 创建出来,等数量达到 corePoolSize 时就停止,把任务直接丢到队列里。那就必然要用一个属性记录已经创建出来的工作线程数量,就叫 workCount 吧。

2. 加拒绝策略:实现上就是增加一个入参,类型是一个接口 RejectedExecutionHandler,由调用者决定实现类,以便在任务提交失败后执行 rejectedExecution 方法。

3. 增加线程工厂:实现上就是增加一个入参,类型是一个接口 ThreadFactory,增加工作线程时不再直接 new 线程,而是调用这个由调用者传入的 ThreadFactory 实现类的 newThread 方法。

就像下面这样。

小宇:哇,还是你厉害,这一版应该很完美了吧?

闪客:不不不,离完美还差得很远,接下来的改进,由你来想吧,我这里可以给你一个提示:弹性思维

第五版

小宇:弹性思维?哈哈闪客你这术语说的真是越来越不像人话了

闪客:咳咳

小宇:哦,我是说你肯定是指我这个代码写的没有弹性,对吧?可是弹性是指什么呢?

闪客:简单说,在这个场景里,弹性就是在任务提交比较频繁,和任务提交非常不频繁这两种情况下,你这个代码是否有问题?

小宇:emmm 让我想想,我这个线程池,当提交任务的量突增时,工作线程和队列都被占满了,就只能走拒绝策略,其实就是被丢弃掉

闪客:是的

小宇:这样的确是太硬了,诶不过我想了下,调用方可以通过设置很大的核心线程数 corePoolSize 来解决这个问题呀。

闪客:的确是可以,但一般场景下 QPS 高峰期都很短,而为了这个很短暂的高峰,设置很大的核心线程数,简直太浪费资源了,你看上面的图不觉得眼晕么?

小宇:是呀,那怎么办呢,太大了也不行,太小了也不行。

闪客:我们可以发明一个新的属性,叫最大线程数 maximumPoolSize。当核心线程数和队列都满了时,新提交的任务仍然可以通过创建新的工作线程(叫它非核心线程),直到工作线程数达到 maximumPoolSize 为止,这样就可以缓解一时的高峰期了,而用户也不用设置过大的核心线程数。

小宇:哦好像有点感觉了,可是具体怎么操作呢?

闪客:想象力不行呀小宇,那你看下面的演示。

  1. 开始的时候和上一版一样,当 workCount < corePoolSize 时,通过创建新的 Worker 来执行任务。

  2. 当 workCount >= corePoolSize 就停止创建新线程,把任务直接丢到队列里。

  3. 但当队列已满且仍然 workCount < maximumPoolSize 时,不再直接走拒绝策略,而是创建非核心线程,直到 workCount = maximumPoolSize,再走拒绝策略。

小宇:哎呀,我怎么没想到,这样 corePoolSize 就负责平时大多数情况所需要的工作线程数,而 maximumPoolSize 就负责在高峰期临时扩充工作线程数。

闪客:没错,高峰时期的弹性搞定了,那自然就还要考虑低谷时期。当长时间没有任务提交时,核心线程与非核心线程都一直空跑着,浪费资源。我们可以给非核心线程设定一个超时时间 keepAliveTime,当这么长时间没能从队列里获取任务时,就不再等了,销毁线程。

小宇:嗯,这回咱们的线程池在 QPS 高峰时可以临时扩容,QPS 低谷时又可以及时回收线程(非核心线程)而不至于浪费资源,真的显得十分 Q 弹呢。

闪客:是呀是呀。诶不对,怎么又变成我说了,不是说这一版你来思考么?

小宇:我也想啊,但你这一讲技术就自说自话的毛病老是不改,我有啥办法。

闪客:额抱歉抱歉,那接下来你总结一下我们的线程池吧

总结

小宇:嗯好的,首先它的构造方法是这个样子滴

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public FlashExecutor(
int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
{
... // 省略一些参数校验
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}

这些参数分别是

int corePoolSize:核心线程数

int maximumPoolSize:最大线程数

long keepAliveTime:非核心线程的空闲时间

TimeUnit unit:空闲时间的单位

BlockingQueue workQueue:任务队列(线程安全的阻塞队列)

ThreadFactory threadFactory:线程工厂

RejectedExecutionHandler handler:拒绝策略

整个任务的提交流程是

闪客:不错不错,这可是你自己总结的哟,现在还用我给你讲什么是线程池了么?

小宇:啊天呢,我才发现这似乎就是我一直弄不清楚的线程池的参数和原理呢!

闪客:没错,而且最后一版代码的构造方法,就是 Java 面试常考的 ThreadPoolExecutor 最长的那个构造方法,参数名都没变。

小宇:哇,太赞了!我都忘了一开始我想干嘛了,嘻嘻。

闪客:哈哈,不知不觉学到了技术才爽呢,对吧?晚饭时间快到了,要不要一块去吃山西面馆呀?

小宇:哦,那家店餐桌的颜色我不太喜欢,下次吧。

闪客:哦好吧。