不論你是否關(guān)注，Java Web應(yīng)用都或多或少的使用了線程池來(lái)處理請(qǐng)求。線程池的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可能會(huì)被忽視，但是有關(guān)于線程池的使用和調(diào)優(yōu)遲早是需要了解的。本文主要介紹Java線程池的使用和如何正確的配置線程池。
單線程
我們先從基礎(chǔ)開(kāi)始。無(wú)論使用哪種應(yīng)用服務(wù)器或者框架（如Tomcat、Jetty等），他們都有類(lèi)似的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。Web服務(wù)的基礎(chǔ)是套接字（socket），套接字負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)端口，等待TCP連接，并接受TCP連接。一旦TCP連接被接受，即可從新創(chuàng)建的TCP連接中讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。
為了能夠理解上述流程，我們不直接使用任何應(yīng)用服務(wù)器，而是從零開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的Web服務(wù)。該服務(wù)是大部分應(yīng)用服務(wù)器的縮影。一個(gè)簡(jiǎn)單的單線程Web服務(wù)大概是這樣的：
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ServerSocket listener = new ServerSocket(8080);try { while (true) { Socket socket = listener.accept(); try { handleRequest(socket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }} finally { listener.close();} |
上述代碼創(chuàng)建了一個(gè) 服務(wù)端套接字（ServerSocket） ，監(jiān)聽(tīng)8080端口，然后循環(huán)檢查這個(gè)套接字，查看是否有新的連接。一旦有新的連接被接受，這個(gè)套接字會(huì)被傳入handleRequest方法。這個(gè)方法會(huì)將數(shù)據(jù)流解析成HTTP請(qǐng)求，進(jìn)行響應(yīng)，并寫(xiě)入響應(yīng)數(shù)據(jù)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的示例中，handleRequest方法僅僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的讀入，返回一個(gè)簡(jiǎn)單的響應(yīng)數(shù)據(jù)。在通常實(shí)現(xiàn)中，該方法還會(huì)復(fù)雜的多，比如從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)等。
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final static String response = “HTTP/1.0 200 OK/r/n” + “Content-type: text/plain/r/n” + “/r/n” + “Hello World/r/n”;public static void handleRequest(Socket socket) throws IOException { // Read the input stream, and return “200 OK” try { BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader(socket.getInputStream())); log.info(in.readLine()); OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write(response.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); } finally { socket.close(); }} |
由于只有一個(gè)線程來(lái)處理請(qǐng)求，每個(gè)請(qǐng)求都必須等待前一個(gè)請(qǐng)求處理完成之后才能夠被響應(yīng)。假設(shè)一個(gè)請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間為100毫秒，那么這個(gè)服務(wù)器的每秒響應(yīng)數(shù)（tps）只有10。
多線程
雖然handleRequest方法可能阻塞在IO上，但是CPU仍然可以處理更多的請(qǐng)求。但是在單線程情況下，這是無(wú)法做到的。因此，可以通過(guò)創(chuàng)建多線程的方式，來(lái)提升服務(wù)器的并行處理能力。
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public static class HandleRequestRunnable implements Runnable { final Socket socket; public HandleRequestRunnable(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { try { handleRequest(socket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }}ServerSocket listener = new ServerSocket(8080);try { while (true) { Socket socket = listener.accept(); new Thread(new HandleRequestRunnable(socket)).start(); }} finally { listener.close();} |
這里，accept()方法仍然在主線程中調(diào)用，但是一旦TCP連接建立之后，將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的線程來(lái)處理新的請(qǐng)求，既在新的線程中執(zhí)行前文中的handleRequest方法。
通過(guò)創(chuàng)建新的線程，主線程可以繼續(xù)接受新的TCP連接，且這些信求可以并行的處理。這個(gè)方式稱(chēng)為“每個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程（thread per request）”。當(dāng)然，還有其他方式來(lái)提高處理性能，例如 NGINX 和 Node.js 使用的異步事件驅(qū)動(dòng)模型，但是它們不使用線程池，因此不在本文的討論范圍。
在每個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)中，創(chuàng)建一個(gè)線程（和后續(xù)的銷(xiāo)毀）開(kāi)銷(xiāo)是非常昂貴的，因?yàn)镴VM和操作系統(tǒng)都需要分配資源。另外，上面的實(shí)現(xiàn)還有一個(gè)問(wèn)題，即創(chuàng)建的線程數(shù)是不可控的，這將可能導(dǎo)致系統(tǒng)資源被迅速耗盡。
資源耗盡
每個(gè)線程都需要一定的棧內(nèi)存空間。在最近的64位JVM中， 默認(rèn)的棧大小 是1024KB。如果服務(wù)器收到大量請(qǐng)求，或者h(yuǎn)andleRequest方法執(zhí)行很慢，服務(wù)器可能因?yàn)閯?chuàng)建了大量線程而崩潰。例如有1000個(gè)并行的請(qǐng)求，創(chuàng)建出來(lái)的1000個(gè)線程需要使用1GB的JVM內(nèi)存作為線程棧空間。另外，每個(gè)線程代碼執(zhí)行過(guò)程中創(chuàng)建的對(duì)象，還可能會(huì)在堆上創(chuàng)建對(duì)象。這樣的情況惡化下去，將會(huì)超出JVM堆內(nèi)存，并產(chǎn)生大量的垃圾回收操作，最終引發(fā) 內(nèi)存溢出（OutOfMemoryErrors） 。
這些線程不僅僅會(huì)消耗內(nèi)存，它們還會(huì)使用其他有限的資源，例如文件句柄、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等。不可控的創(chuàng)建線程，還可能引發(fā)其他類(lèi)型的錯(cuò)誤和崩潰。因此，避免資源耗盡的一個(gè)重要方式，就是避免不可控的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
順便說(shuō)下，由于線程棧大小引發(fā)的內(nèi)存問(wèn)題，可以通過(guò)-Xss開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)整棧大小?？s小線程棧大小之后，可以減少每個(gè)線程的開(kāi)銷(xiāo)，但是可能會(huì)引發(fā) 棧溢出（StackOverflowErrors） 。對(duì)于一般應(yīng)用程序而言，默認(rèn)的1024KB過(guò)于富裕，調(diào)小為256KB或者512KB可能更為合適。Java允許的最小值是160KB。
線程池
為了避免持續(xù)創(chuàng)建新線程，可以通過(guò)使用簡(jiǎn)單的線程池來(lái)限定線程池的上限。線程池會(huì)管理所有線程，如果線程數(shù)還沒(méi)有達(dá)到上限，線程池會(huì)創(chuàng)建線程到上限，且盡可能復(fù)用空閑的線程。
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ServerSocket listener = new ServerSocket(8080);ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);try { while (true) { Socket socket = listener.accept(); executor.submit( new HandleRequestRunnable(socket) ); }} finally { listener.close();} |
在這個(gè)示例中，沒(méi)有直接創(chuàng)建線程，而是使用了ExecutorService。它將需要執(zhí)行的任務(wù)（需要實(shí)現(xiàn)Runnables接口）提交到線程池，使用線程池中的線程執(zhí)行代碼。示例中，使用線程數(shù)量為4的固定大小線程池來(lái)處理所有請(qǐng)求。這限制了處理請(qǐng)求的線程數(shù)量，也限制了資源的使用。
除了通過(guò) newFixedThreadPool 方法創(chuàng)建固定大小線程池，Executors類(lèi)還提供了 newCachedThreadPool 方法。復(fù)用線程池還是有可能導(dǎo)致不可控的線程數(shù)，但是它會(huì)盡可能使用之前已經(jīng)創(chuàng)建的空閑線程。通常該類(lèi)型線程池適合使用在不會(huì)被外部資源阻塞的短任務(wù)上。
工作隊(duì)列
使用了固定大小線程池之后，如果所有的線程都繁忙，再新來(lái)一個(gè)請(qǐng)求將會(huì)發(fā)生什么呢？ThreadPoolExecutor使用一個(gè)隊(duì)列來(lái)保存等待處理的請(qǐng)求，固定大小線程池默認(rèn)使用無(wú)限制的鏈表。注意，這又可能引起資源耗盡問(wèn)題，但只要線程處理的速度大于隊(duì)列增長(zhǎng)的速度就不會(huì)發(fā)生。然后前面示例中，每個(gè)排隊(duì)的請(qǐng)求都會(huì)持有套接字，在一些操作系統(tǒng)中，這將會(huì)消耗文件句柄。由于操作系統(tǒng)會(huì)限制進(jìn)程打開(kāi)的文件句柄數(shù)，因此最好限制下工作隊(duì)列的大小。
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public static ExecutorService newBoundedFixedThreadPool(int nThreads, int capacity) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(capacity), new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());}public static void boundedThreadPoolServerSocket() throws IOException { ServerSocket listener = new ServerSocket(8080); ExecutorService executor = newBoundedFixedThreadPool(4, 16); try { while (true) { Socket socket = listener.accept(); executor.submit( new HandleRequestRunnable(socket) ); } } finally { listener.close(); }} |
這里我們沒(méi)有直接使用Executors.newFixedThreadPool方法來(lái)創(chuàng)建線程池，而是自己構(gòu)建了ThreadPoolExecutor對(duì)象，并將工作隊(duì)列長(zhǎng)度限制為16個(gè)元素。
如果所有的線程都繁忙，新的任務(wù)將會(huì)填充到隊(duì)列中，由于隊(duì)列限制了大小為16個(gè)元素，如果超過(guò)這個(gè)限制，就需要由構(gòu)造ThreadPoolExecutor對(duì)象時(shí)的最后一個(gè)參數(shù)來(lái)處理了。示例中，使用了 拋棄策略（DiscardPolicy） ，即當(dāng)隊(duì)列到達(dá)上限時(shí)，將拋棄新來(lái)的任務(wù)。初次之外，還有 中止策略（AbortPolicy） 和 調(diào)用者執(zhí)行策略（CallerRunsPolicy） 。前者將拋出一個(gè)異常，而后者會(huì)再調(diào)用者線程中執(zhí)行任務(wù)。
對(duì)于Web應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最優(yōu)的默認(rèn)策略應(yīng)該是拋棄或者中止策略，并返回一個(gè)錯(cuò)誤給客戶端（如 HTTP 503 錯(cuò)誤）。當(dāng)然也可以通過(guò)增加工作隊(duì)列長(zhǎng)度的方式，避免拋棄客戶端請(qǐng)求，但是用戶請(qǐng)求一般不愿意進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的等待，且這樣會(huì)更多的消耗服務(wù)器資源。工作隊(duì)列的用途，不是無(wú)限制的響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，而是平滑突發(fā)暴增的請(qǐng)求。通常情況下，工作隊(duì)列應(yīng)該是空的。
線程數(shù)調(diào)優(yōu)
前面的示例展示了如何創(chuàng)建和使用線程池，但是，使用線程池的核心問(wèn)題在于應(yīng)該使用多少線程。首先，我們要確保達(dá)到線程上限時(shí)，不會(huì)引起資源耗盡。這里的資源包括內(nèi)存（堆和棧）、打開(kāi)文件句柄數(shù)量、TCP連接數(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)連接數(shù)和其他有限的資源。特別的，如果線程任務(wù)是計(jì)算密集型的，CPU核心數(shù)量也是資源限制之一，一般情況下線程數(shù)量不要超過(guò)CPU核心數(shù)量。
由于線程數(shù)的選定依賴(lài)于應(yīng)用程序的類(lèi)型，可能需要經(jīng)過(guò)大量性能測(cè)試之后，才能得出最優(yōu)的結(jié)果。當(dāng)然，也可以通過(guò)增加資源數(shù)的方式，來(lái)提升應(yīng)用程序的性能。例如，修改JVM堆內(nèi)存大小，或者修改操作系統(tǒng)的文件句柄上限等。然后，這些調(diào)整最終還是會(huì)觸及理論上限。
利特爾法則
利特爾法則 描述了在穩(wěn)定系統(tǒng)中，三個(gè)變量之間的關(guān)系。
其中L表示平均請(qǐng)求數(shù)量，λ表示請(qǐng)求的頻率，W表示響應(yīng)請(qǐng)求的平均時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，如果每秒請(qǐng)求數(shù)為10次，每個(gè)請(qǐng)求處理時(shí)間為1秒，那么在任何時(shí)刻都有10個(gè)請(qǐng)求正在被處理?；氐轿覀兊脑掝}，就是需要使用10個(gè)線程來(lái)進(jìn)行處理。如果單個(gè)請(qǐng)求的處理時(shí)間翻倍，那么處理的線程數(shù)也要翻倍，變成20個(gè)。
理解了處理時(shí)間對(duì)于請(qǐng)求處理效率的影響之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，通常理論上限可能不是線程池大小的最佳值。線程池上限還需要參考任務(wù)處理時(shí)間。
假設(shè)JVM可以并行處理1000個(gè)任務(wù)，如果每個(gè)請(qǐng)求處理時(shí)間不超過(guò)30秒，那么在最壞情況下，每秒最多只能處理33.3個(gè)請(qǐng)求。然而，如果每個(gè)請(qǐng)求只需要500毫秒，那么應(yīng)用程序每秒可以處理2000個(gè)請(qǐng)求。
拆分線程池
在微服務(wù)或者面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）中，通常需要訪問(wèn)多個(gè)后端服務(wù)。如果其中一個(gè)服務(wù)性能下降，可能會(huì)引起線程池線程耗盡，從而影響對(duì)其他服務(wù)的請(qǐng)求。
應(yīng)對(duì)后端服務(wù)失效的有效辦法是隔離每個(gè)服務(wù)所使用的線程池。在這種模式下，仍然有一個(gè)分派的線程池，將任務(wù)分派到不同的后端請(qǐng)求線程池中。該線程池可能因?yàn)橐粋€(gè)緩慢的后端而沒(méi)有負(fù)載，而將負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到了請(qǐng)求緩慢后端的線程池中。
另外，多線程池模式還需要避免死鎖問(wèn)題。如果每個(gè)線程都阻塞在等待未被處理請(qǐng)求的結(jié)果上時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖。因此，多線程池模式下，需要了解每個(gè)線程池執(zhí)行的任務(wù)和它們之間的依賴(lài)，這樣可以盡可能避免死鎖問(wèn)題。
總結(jié)
即使沒(méi)有在應(yīng)用程序中直接使用線程池，它們也很有可能在應(yīng)用程序中被應(yīng)用服務(wù)器或者框架間接使用。 Tomcat 、 JBoss 、 Undertow 、 Dropwizard 等框架，都提供了調(diào)優(yōu)線程池（servlet執(zhí)行使用的線程池）的選項(xiàng)。
希望本文能夠提升對(duì)線程池的了解，對(duì)大家學(xué)習(xí)有所幫助。
