ScheduledThreadPool線程池設(shè)計(jì)/場(chǎng)景案例/性能調(diào)優(yōu)/場(chǎng)景適配（架構(gòu)篇）
ScheduledThreadPool是一個(gè)強(qiáng)大的工具，它擴(kuò)展了線程池的功能，允許任務(wù)的定時(shí)執(zhí)行以及周期性重復(fù)執(zhí)行。這種線程池特別適用于需要在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者按照固定頻率執(zhí)行任務(wù)的場(chǎng)景，如調(diào)度作業(yè)、定時(shí)報(bào)告生成、周期性數(shù)據(jù)刷新等。 ScheduledThreadPool通過提供一個(gè)可伸縮的線程池，使得開發(fā)者能夠輕松安排任務(wù)的延遲執(zhí)行，同時(shí)保持線程資源的高效利用。對(duì)于需要精確控制任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的應(yīng)用程序， ScheduledThreadPool提供了一種簡(jiǎn)潔而強(qiáng)大的解決方案，使得任務(wù)調(diào)度變得簡(jiǎn)單而可靠。掌握 ScheduledThreadPool的使用方法和最佳實(shí)踐，對(duì)于開發(fā)高效、可靠的并發(fā)應(yīng)用程序至關(guān)重要。
1、ScheduledThreadPool制造背景
ScheduledThreadPoolExecutor 是 Java 并發(fā)包中一個(gè)非常實(shí)用的工具，它允許按照預(yù)定的計(jì)劃執(zhí)行命令或任務(wù)。以下是它的設(shè)計(jì)因素：
- 定時(shí)任務(wù)執(zhí)行：
在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，如電商平臺(tái)的促銷活動(dòng)、系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)或定期的數(shù)據(jù)備份等，需要在特定時(shí)間執(zhí)行任務(wù)。 ScheduledThreadPoolExecutor 提供了靈活的API來支持這些需求。
- 多線程執(zhí)行任務(wù)：
與 Java 中的 Timer 類相比， ScheduledThreadPoolExecutor 使用多線程執(zhí)行任務(wù)，避免了任務(wù)執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的任務(wù)相互阻塞的問題。
- 資源優(yōu)化：
ScheduledThreadPoolExecutor 能夠高效地管理和復(fù)用線程資源，避免了大量線程的創(chuàng)建和銷毀開銷，從而提升了系統(tǒng)性能。
- 靈活的任務(wù)調(diào)度：
它支持延遲執(zhí)行和固定頻率執(zhí)行，滿足了各種復(fù)雜場(chǎng)景下的需求，如每隔一段時(shí)間自動(dòng)檢查未支付的訂單并自動(dòng)取消。
- 周期性和延遲任務(wù)：
ScheduledThreadPoolExecutor 內(nèi)部構(gòu)造了兩個(gè)內(nèi)部類 ScheduledFutureTask 和 DelayedWorkQueue，分別用于執(zhí)行周期任務(wù)和存儲(chǔ)周期或延遲任務(wù)。
- 線程池功能：
繼承自 ThreadPoolExecutor， ScheduledThreadPoolExecutor 重用了線程池的功能，為任務(wù)提供延遲或周期執(zhí)行。
- 異常處理：
如果任務(wù)執(zhí)行過程中線程失活， ScheduledThreadPoolExecutor 會(huì)新建線程執(zhí)行任務(wù)，確保任務(wù)的連續(xù)性。
- 運(yùn)行參數(shù)控制：
支持可選的 run-after-shutdown 參數(shù)，在池被關(guān)閉后支持可選的邏輯來決定是否繼續(xù)運(yùn)行周期或延遲任務(wù)。
2、ScheduledThreadPool設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
用于延遲執(zhí)行或定期執(zhí)行任務(wù)的線程池。
圖片
- ScheduledThreadPoolExecutor：這是調(diào)度線程池，負(fù)責(zé)管理線程和任務(wù)的執(zhí)行。
- 核心線程數(shù)：線程池中固定的核心線程數(shù)量。
- 最大線程數(shù)：線程池中允許的最大線程數(shù)量。
- 空閑線程存活時(shí)間：空閑線程在終止前等待新任務(wù)的最長(zhǎng)時(shí)間。
- 任務(wù)隊(duì)列(DelayedWorkQueue) ：用于存儲(chǔ)待執(zhí)行任務(wù)的延遲隊(duì)列。
- 線程工廠：用于創(chuàng)建新線程的工廠。
- 拒絕策略處理器：當(dāng)任務(wù)隊(duì)列滿且所有線程都忙碌時(shí)，用于處理新提交任務(wù)的策略。
- 任務(wù)提交：任務(wù)提交到線程池執(zhí)行。
- ScheduledFutureTask：表示可以延遲執(zhí)行的異步運(yùn)算任務(wù)。
- 執(zhí)行任務(wù)：線程從任務(wù)隊(duì)列中取出任務(wù)并執(zhí)行。
- 重新調(diào)度：對(duì)于周期性任務(wù)，執(zhí)行完畢后重新調(diào)度下一次執(zhí)行。
- 線程空閑或銷毀：任務(wù)執(zhí)行完畢后，線程可能變?yōu)榭臻e狀態(tài)，等待新任務(wù)，或者在線程池關(guān)閉時(shí)被銷毀。
- 線程池終止：當(dāng)線程池關(guān)閉時(shí)，所有線程將停止執(zhí)行任務(wù)，并等待已提交的任務(wù)完成。
3、ScheduledThreadPool運(yùn)行流程
圖片
ScheduledThreadPool 的運(yùn)行流程：
- 創(chuàng)建 ScheduledThreadPoolExecutor 實(shí)例：根據(jù)指定的核心線程數(shù)創(chuàng)建 ScheduledThreadPoolExecutor。
- 提交任務(wù)：使用 schedule、 scheduleWithFixedDelay 或 scheduleAtFixedRate 方法提交任務(wù)。
- 任務(wù)封裝為 ScheduledFutureTask：提交的任務(wù)被封裝為 ScheduledFutureTask 對(duì)象。
- 任務(wù)存儲(chǔ)于 DelayedWorkQueue： ScheduledFutureTask 對(duì)象被存儲(chǔ)在 DelayedWorkQueue 隊(duì)列中，根據(jù)預(yù)定執(zhí)行時(shí)間排序。
- 到達(dá)預(yù)定時(shí)間：等待直到任務(wù)的預(yù)定執(zhí)行時(shí)間到達(dá)。
- 任務(wù)執(zhí)行：線程池中的線程執(zhí)行任務(wù)。
- 是否周期性任務(wù)：檢查任務(wù)是否需要周期性執(zhí)行。
- 重新調(diào)度任務(wù)：如果是周期性任務(wù)，重新調(diào)度下一次執(zhí)行。
- 任務(wù)完成：非周期性任務(wù)執(zhí)行完畢后，任務(wù)完成。
- 關(guān)閉線程池：當(dāng)不再需要線程池時(shí)，調(diào)用 shutdown 方法關(guān)閉線程池。
- 等待任務(wù)完成：調(diào)用 awaitTermination 方法等待所有已提交的任務(wù)完成。
4、ScheduledThreadPool業(yè)務(wù)實(shí)戰(zhàn)
4.1. 定時(shí)任務(wù)執(zhí)行
ScheduledThreadPoolExecutor 最常見的應(yīng)用場(chǎng)景就是實(shí)現(xiàn)調(diào)度任務(wù)。例如，可以用于執(zhí)行定時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)清理任務(wù)，確保數(shù)據(jù)庫(kù)性能和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
// 數(shù)據(jù)庫(kù)清理邏輯
}, 0, 24, TimeUnit.HOURS); // 每天執(zhí)行一次4.2. 周期性任務(wù)執(zhí)行
ScheduledThreadPoolExecutor 可以用于執(zhí)行周期性任務(wù)，如定時(shí)發(fā)送郵件通知或定時(shí)檢查系統(tǒng)狀態(tài)。
ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
service.scheduleAtFixedRate(() -> {
// 發(fā)送郵件通知邏輯
}, 0, 8, TimeUnit.HOURS); // 每8小時(shí)執(zhí)行一次4.3. 延遲任務(wù)執(zhí)行
在需要延遲執(zhí)行任務(wù)的場(chǎng)景下， ScheduledThreadPoolExecutor 提供了延遲執(zhí)行的能力，例如，延遲發(fā)送用戶注冊(cè)后的歡迎郵件。
ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
executor.schedule(() -> {
// 發(fā)送歡迎郵件邏輯
}, 10, TimeUnit.MINUTES); // 10分鐘后執(zhí)行4.4. 固定頻率任務(wù)執(zhí)行
對(duì)于需要以固定頻率執(zhí)行的任務(wù)，如每5分鐘檢查一次訂單狀態(tài)， ScheduledThreadPoolExecutor 可以滿足這一需求。
ScheduledExecutorService scheduledExecutor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
scheduledExecutor.scheduleAtFixedRate(() -> {
// 檢查訂單狀態(tài)邏輯
}, 0, 5, TimeUnit.MINUTES); // 每5分鐘執(zhí)行一次4.5. 綜合案例：每周四定時(shí)執(zhí)行任務(wù)
通過 ScheduledThreadPoolExecutor 實(shí)現(xiàn)每周四 18:00:00 定時(shí)執(zhí)行任務(wù)，例如，定期生成周報(bào)。
ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
LocalDateTime time = now.with(TemporalAdjusters.nextOrSame(DayOfWeek.THURSDAY))
.withHour(18).withMinute(0).withSecond(0);
long initialDelay = ChronoUnit.MILLIS.between(now, time);
long period = 7 * 24 * 60 * 60 * 1000; // 一周的毫秒數(shù)
pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
// 執(zhí)行周報(bào)生成邏輯
}, initialDelay, period, TimeUnit.MILLISECONDS);5、ScheduledThreadPool調(diào)優(yōu)策略
針對(duì) ScheduledThreadPoolExecutor 的調(diào)優(yōu)策略，以下是一些關(guān)鍵點(diǎn)和最佳實(shí)踐：
- 合理配置核心線程數(shù)：
核心線程數(shù)（ corePoolSize）應(yīng)根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和系統(tǒng)的負(fù)載情況來設(shè)置。如果任務(wù)是計(jì)算密集型或IO密集型，可能需要不同的配置。通常，對(duì)于IO密集型任務(wù)，核心線程數(shù)可以設(shè)置為CPU核心數(shù)的兩倍加一。
- 設(shè)置最大線程數(shù)：
最大線程數(shù)（ maximumPoolSize）應(yīng)該考慮到系統(tǒng)資源的限制，以避免創(chuàng)建過多的線程導(dǎo)致資源耗盡。
- 選擇合適的工作隊(duì)列：
ScheduledThreadPoolExecutor 使用 DelayedWorkQueue 作為其工作隊(duì)列，這是一個(gè)無界隊(duì)列，可以容納任意數(shù)量的任務(wù)。如果任務(wù)提交速度超過處理速度，應(yīng)考慮使用有界隊(duì)列以避免內(nèi)存溢出。
- 處理線程空閑超時(shí)：
keepAliveTime 參數(shù)定義了非核心線程空閑時(shí)在終止前的等待時(shí)間。合理設(shè)置這個(gè)值可以減少資源浪費(fèi)。
- 優(yōu)雅關(guān)閉線程池：
使用 shutdown() 方法來優(yōu)雅地關(guān)閉線程池，確保所有已提交的任務(wù)都能執(zhí)行完畢。如果需要立即停止，可以使用 shutdownNow()，但這可能會(huì)導(dǎo)致正在執(zhí)行的任務(wù)被中斷。
- 監(jiān)控線程池狀態(tài)：
監(jiān)控線程池的活動(dòng)線程數(shù)、任務(wù)隊(duì)列長(zhǎng)度等指標(biāo)，可以幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能瓶頸和異常情況，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)優(yōu)。
- 自定義線程工廠：
通過自定義線程工廠（ ThreadFactory），可以為線程設(shè)置有意義的名稱，這有助于在出現(xiàn)問題時(shí)快速定位問題線程。
- 合理配置拒絕策略：
當(dāng)任務(wù)隊(duì)列滿且達(dá)到最大線程數(shù)時(shí)， RejectedExecutionHandler 會(huì)介入。可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇合適的拒絕策略，如 AbortPolicy、 CallerRunsPolicy 等。
- 周期性任務(wù)的精確度：
對(duì)于需要精確執(zhí)行周期性任務(wù)的場(chǎng)景，應(yīng)考慮任務(wù)執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)負(fù)載對(duì)調(diào)度精度的影響。 scheduleAtFixedRate 和 scheduleWithFixedDelay 提供了不同的周期性執(zhí)行策略，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇。
6、ScheduledThreadPool適應(yīng)場(chǎng)景
ScheduledThreadPoolExecutor 適用于以下場(chǎng)景：
- 定時(shí)任務(wù)調(diào)度：
需要在未來的某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行一次性任務(wù)，例如，定時(shí)清理日志文件、定時(shí)備份數(shù)據(jù)庫(kù)等。 ScheduledThreadPoolExecutor 提供了 schedule 方法來實(shí)現(xiàn)這種需求。
- 周期性任務(wù)執(zhí)行：
對(duì)于需要定期執(zhí)行的任務(wù)，如每小時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、每天發(fā)送報(bào)告等，可以使用 scheduleAtFixedRate 或 scheduleWithFixedDelay 方法來安排周期性任務(wù)。
- 后臺(tái)服務(wù)任務(wù)：
對(duì)于需要在后臺(tái)定期執(zhí)行的服務(wù)任務(wù)，如心跳檢測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控等， ScheduledThreadPoolExecutor 可以保證這些任務(wù)按照預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行。
- 資源管理需求：
當(dāng)需要限制后臺(tái)線程數(shù)量以管理資源時(shí)， ScheduledThreadPoolExecutor 允許自定義核心線程數(shù)，從而控制資源消耗。
- 任務(wù)執(zhí)行監(jiān)控：
ScheduledThreadPoolExecutor 支持對(duì)任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，例如，可以監(jiān)控任務(wù)的延遲執(zhí)行情況、執(zhí)行頻率等，這對(duì)于性能調(diào)優(yōu)和故障排查非常有用。
- 復(fù)雜的調(diào)度需求：
對(duì)于復(fù)雜的調(diào)度需求，如根據(jù)特定條件觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行， ScheduledThreadPoolExecutor 提供了靈活的 API 來滿足這些需求。
- 優(yōu)化系統(tǒng)性能：
通過合理配置 ScheduledThreadPoolExecutor，可以減少系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的性能和響應(yīng)速度。
- 保持任務(wù)順序執(zhí)行：
在需要保證任務(wù)順序執(zhí)行的場(chǎng)景下， ScheduledThreadPoolExecutor 可以確保任務(wù)按照特定的順序執(zhí)行。
- 處理長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)：
對(duì)于可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)， ScheduledThreadPoolExecutor 可以避免任務(wù)執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)而影響其他任務(wù)的執(zhí)行。
- 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性：
通過使用 ScheduledThreadPoolExecutor，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在需要處理大量并發(fā)任務(wù)時(shí)。
