不論你是否關注，Java Web應用都或多或少的使用了線程池來處理請求。線程池的實現細節可能會被忽視，但是有關于線程池的使用和調優遲早是需要了解的。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
我們先從基礎開始。無論使用哪種應用服務器或者框架（如Tomcat、Jetty等），他們都有類似的基礎實現。Web服務的基礎是套接字（socket），套接字負責監聽端口，等待TCP連接，并接受TCP連接。一旦TCP連接被接受，即可從新創建的TCP連接中讀取和發送數據。
為了能夠理解上述流程，我們不直接使用任何應用服務器，而是從零開始構建一個簡單的Web服務。該服務是大部分應用服務器的縮影。一個簡單的單線程Web服務大概是這樣的：
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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();} |
上述代碼創建了一個 服務端套接字（ServerSocket） ，監聽8080端口，然后循環檢查這個套接字，查看是否有新的連接。一旦有新的連接被接受，這個套接字會被傳入handleRequest方法。這個方法會將數據流解析成HTTP請求，進行響應，并寫入響應數據。在這個簡單的示例中，handleRequest方法僅僅實現數據流的讀入，返回一個簡單的響應數據。在通常實現中，該方法還會復雜的多，比如從數據庫讀取數據等。
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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(); }} |
由于只有一個線程來處理請求，每個請求都必須等待前一個請求處理完成之后才能夠被響應。假設一個請求響應時間為100毫秒，那么這個服務器的每秒響應數（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求。但是在單線程情況下，這是無法做到的。因此，可以通過創建多線程的方式，來提升服務器的并行處理能力。
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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用，但是一旦TCP連接建立之后，將會創建一個新的線程來處理新的請求，既在新的線程中執行前文中的handleRequest方法。
通過創建新的線程，主線程可以繼續接受新的TCP連接，且這些信求可以并行的處理。這個方式稱為“每個請求一個線程（thread per request）”。當然，還有其他方式來提高處理性能，例如 NGINX 和 Node.js 使用的異步事件驅動模型，但是它們不使用線程池，因此不在本文的討論范圍。
在每個請求一個線程實現中，創建一個線程（和后續的銷毀）開銷是非常昂貴的，因為JVM和操作系統都需要分配資源。另外，上面的實現還有一個問題，即創建的線程數是不可控的，這將可能導致系統資源被迅速耗盡。
資源耗盡
每個線程都需要一定的棧內存空間。在最近的64位JVM中， 默認的棧大小 是1024KB。如果服務器收到大量請求，或者handleRequest方法執行很慢，服務器可能因為創建了大量線程而崩潰。例如有1000個并行的請求，創建出來的1000個線程需要使用1GB的JVM內存作為線程棧空間。另外，每個線程代碼執行過程中創建的對象，還可能會在堆上創建對象。這樣的情況惡化下去，將會超出JVM堆內存，并產生大量的垃圾回收操作，最終引發 內存溢出（OutOfMemoryErrors） 。
這些線程不僅僅會消耗內存，它們還會使用其他有限的資源，例如文件句柄、數據庫連接等。不可控的創建線程，還可能引發其他類型的錯誤和崩潰。因此，避免資源耗盡的一個重要方式，就是避免不可控的數據結構。
順便說下，由于線程棧大小引發的內存問題，可以通過-Xss開關來調整棧大小。縮小線程棧大小之后，可以減少每個線程的開銷，但是可能會引發 棧溢出（StackOverflowErrors） 。對于一般應用程序而言，默認的1024KB過于富裕，調小為256KB或者512KB可能更為合適。Java允許的最小值是160KB。
線程池
為了避免持續創建新線程，可以通過使用簡單的線程池來限定線程池的上限。線程池會管理所有線程，如果線程數還沒有達到上限，線程池會創建線程到上限，且盡可能復用空閑的線程。
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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();} |
在這個示例中，沒有直接創建線程，而是使用了ExecutorService。它將需要執行的任務（需要實現Runnables接口）提交到線程池，使用線程池中的線程執行代碼。示例中，使用線程數量為4的固定大小線程池來處理所有請求。這限制了處理請求的線程數量，也限制了資源的使用。
除了通過 newFixedThreadPool 方法創建固定大小線程池，Executors類還提供了 newCachedThreadPool 方法。復用線程池還是有可能導致不可控的線程數，但是它會盡可能使用之前已經創建的空閑線程。通常該類型線程池適合使用在不會被外部資源阻塞的短任務上。
工作隊列
使用了固定大小線程池之后，如果所有的線程都繁忙，再新來一個請求將會發生什么呢？ThreadPoolExecutor使用一個隊列來保存等待處理的請求，固定大小線程池默認使用無限制的鏈表。注意，這又可能引起資源耗盡問題，但只要線程處理的速度大于隊列增長的速度就不會發生。然后前面示例中，每個排隊的請求都會持有套接字，在一些操作系統中，這將會消耗文件句柄。由于操作系統會限制進程打開的文件句柄數，因此最好限制下工作隊列的大小。
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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(); }} |
這里我們沒有直接使用Executors.newFixedThreadPool方法來創建線程池，而是自己構建了ThreadPoolExecutor對象，并將工作隊列長度限制為16個元素。
如果所有的線程都繁忙，新的任務將會填充到隊列中，由于隊列限制了大小為16個元素，如果超過這個限制，就需要由構造ThreadPoolExecutor對象時的最后一個參數來處理了。示例中，使用了 拋棄策略（DiscardPolicy） ，即當隊列到達上限時，將拋棄新來的任務。初次之外，還有 中止策略（AbortPolicy） 和 調用者執行策略（CallerRunsPolicy） 。前者將拋出一個異常，而后者會再調用者線程中執行任務。
對于Web應用來說，最優的默認策略應該是拋棄或者中止策略，并返回一個錯誤給客戶端（如 HTTP 503 錯誤）。當然也可以通過增加工作隊列長度的方式，避免拋棄客戶端請求，但是用戶請求一般不愿意進行長時間的等待，且這樣會更多的消耗服務器資源。工作隊列的用途，不是無限制的響應客戶端請求，而是平滑突發暴增的請求。通常情況下，工作隊列應該是空的。
線程數調優
前面的示例展示了如何創建和使用線程池，但是，使用線程池的核心問題在于應該使用多少線程。首先，我們要確保達到線程上限時，不會引起資源耗盡。這里的資源包括內存（堆和棧）、打開文件句柄數量、TCP連接數、遠程數據庫連接數和其他有限的資源。特別的，如果線程任務是計算密集型的，CPU核心數量也是資源限制之一，一般情況下線程數量不要超過CPU核心數量。
由于線程數的選定依賴于應用程序的類型，可能需要經過大量性能測試之后，才能得出最優的結果。當然，也可以通過增加資源數的方式，來提升應用程序的性能。例如，修改JVM堆內存大小，或者修改操作系統的文件句柄上限等。然后，這些調整最終還是會觸及理論上限。
利特爾法則
利特爾法則 描述了在穩定系統中，三個變量之間的關系。
其中L表示平均請求數量，λ表示請求的頻率，W表示響應請求的平均時間。舉例來說，如果每秒請求數為10次，每個請求處理時間為1秒，那么在任何時刻都有10個請求正在被處理。回到我們的話題，就是需要使用10個線程來進行處理。如果單個請求的處理時間翻倍，那么處理的線程數也要翻倍，變成20個。
理解了處理時間對于請求處理效率的影響之后，我們會發現，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處理時間。
假設JVM可以并行處理1000個任務，如果每個請求處理時間不超過30秒，那么在最壞情況下，每秒最多只能處理33.3個請求。然而，如果每個請求只需要500毫秒，那么應用程序每秒可以處理2000個請求。
拆分線程池
在微服務或者面向服務架構（SOA）中，通常需要訪問多個后端服務。如果其中一個服務性能下降，可能會引起線程池線程耗盡，從而影響對其他服務的請求。
應對后端服務失效的有效辦法是隔離每個服務所使用的線程池。在這種模式下，仍然有一個分派的線程池，將任務分派到不同的后端請求線程池中。該線程池可能因為一個緩慢的后端而沒有負載，而將負擔轉移到了請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題。如果每個線程都阻塞在等待未被處理請求的結果上時，就會發生死鎖。因此，多線程池模式下，需要了解每個線程池執行的任務和它們之間的依賴，這樣可以盡可能避免死鎖問題。
總結
即使沒有在應用程序中直接使用線程池，它們也很有可能在應用程序中被應用服務器或者框架間接使用。 Tomcat 、 JBoss 、 Undertow 、 Dropwizard 等框架，都提供了調優線程池（servlet執行使用的線程池）的選項。
希望本文能夠提升對線程池的了解，對大家學習有所幫助。
