Java网络编程精解之ServerSocket用法详解二2

在ThreadPool类的构造方法中，会创建并启动若干工作线程，工作线程的数目由构造方法的参数 poolSize决定。WorkThread类表示工作线程，它是ThreadPool类的内部类。工作线程从工作队列中取出一个任务，接着执行该任务， 然后再从工作队列中取出下一个任务并执行它，如此反复。

工作线程从工作队列中取任务的操作是由ThreadPool类的getTask()方法实现的，它的处理逻辑如下：

◆如果队列为空并且线程池已关闭，那就返回null，表示已经没有任务可以执行了；

◆如果队列为空并且线程池没有关闭，那就在此等待，直到其他线程将其唤醒或者中断；

◆如果队列中有任务，就取出第一个任务并将其返回。

线程池的join()和close()方法都可用来关闭线程池。join()方法确保在关闭线程池之前，工作线程把队列中的所有任务都执行完。而close()方法则立即清空队列，并且中断所有的工作线程。

ThreadPool类是ThreadGroup类的子类。ThreadGroup类表示线程组，它提供了一些管理线程组中线程的方法。例如， interrupt()方法相当于调用线程组中所有活着的线程的interrupt()方法。线程池中的所有工作线程都加入到当前ThreadPool对 象表示的线程组中。ThreadPool类在close()方法中调用了interrupt()方法：

/** 关闭线程池 */ public synchronized void close() { if (!isClosed) { isClosed = true; workQueue.clear(); //清空工作队列 interrupt(); //中断所有的工作线程，该方法继承自ThreadGroup类 } }

以上interrupt()方法用于中断所有的工作线程。interrupt()方法会对工作线程造成以下影响：

◆如果此时一个工作线程正在ThreadPool的getTask()方法中因为执行wait()方法而阻塞，则会抛出InterruptedException；

◆如果此时一个工作线程正在执行一个任务，并且这个任务不会被阻塞，那么这个工作线程会正常执行完任务，但是在执行下一轮while (!isInterrupted()) {…}循环时，由于isInterrupted()方法返回true，因此退出while循环。

如例程3-7所示，ThreadPoolTester类用于测试ThreadPool的用法。

例程3-7 ThreadPoolTester.java

package multithread2; public class ThreadPoolTester { public static void main(String[] args) { if (args.length != 2) { System.out.println( "用法: java ThreadPoolTest numTasks poolSize"); System.out.println( " numTasks - integer: 任务的数目"); System.out.println( " numThreads - integer: 线程池中的线程数目"); return; } int numTasks = Integer.parseInt(args[0]); int poolSize = Integer.parseInt(args[1]); ThreadPool threadPool = new ThreadPool(poolSize); //创建线程池 // 运行任务 for (int i=0; i threadPool.execute(createTask(i)); threadPool.join(); //等待工作线程完成所有的任务 // threadPool.close(); //关闭线程池 }//#main() /** 定义了一个简单的任务(打印ID) */ private static Runnable createTask(final int taskID) { return new Runnable() { public void run() { System.out.println("Task " + taskID + ": start"); try { Thread.sleep(500); //增加执行一个任务的时间 } catch (InterruptedException ex) { } System.out.println("Task " + taskID + ": end"); } }; } }

ThreadPoolTester类的createTask()方法负责创建一个简单的任务。ThreadPoolTester类的main()方 法读取用户从命令行输入的两个参数，它们分别表示任务的数目和工作线程的数目。main()方法接着创建线程池和任务，并且由线程池来执行这些任务，最后 调用线程池的join()方法，等待线程池把所有的任务执行完毕。

运行命令“java multithread2.ThreadPoolTester 5 3”，线程池将创建3个工作线程，由它们执行5个任务。程序的打印结果如下：

Task 0: start Task 1: start Task 2: start Task 0: end Task 3: start Task 1: end Task 4: start Task 2: end Task 3: end Task 4: end

从打印结果看出，主线程等到工作线程执行完所有任务后，才结束程序。如果把main()方法中的“threadPool.join()”改为“threadPool.close()”，再运行程序，则会看到，尽管有一些任务还没有执行，程序就运行结束了。

如例程3-8所示，EchoServer利用线程池ThreadPool来完成与客户的通信任务。

例程3-8 EchoServer.java（使用线程池ThreadPool类）

package multithread2; import java.io.*; import java.net.*; public class EchoServer { private int port=8000; private ServerSocket serverSocket; private ThreadPool threadPool; //线程池 private final int POOL_SIZE=4; //单个CPU时线程池中工作线程的数目 public EchoServer() throws IOException { serverSocket = new ServerSocket(port); //创建线程池 //Runtime的availableProcessors()方法返回当前系统的CPU的数目 //系统的CPU越多，线程池中工作线程的数目也越多 threadPool= new ThreadPool( Runtime.getRuntime().availableProcessors() * POOL_SIZE); System.out.println("服务器启动"); } public void service() { while (true) { Socket socket=null; try { socket = serverSocket.accept(); threadPool.execute(new Handler(socket)); //把与客户通信的任务交给线程池 }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String args[])throws IOException { new EchoServer().service(); } } /** 负责与单个客户通信的任务，代码与3.6.1节的例程3-5的Handler类相同 */ class Handler implements Runnable{…}

在以上EchoServer的service()方法中，每接收到一个客户连接，就向线程池ThreadPool提交一个与客户通信的任务。ThreadPool把任务加入到工作队列中，工作线程会在适当的时候从队列中取出这个任务并执行它。

3.6.3 使用JDK类库提供的线程池

java.util.concurrent包提供了现成的线程池的实现，它比3.6.2节介绍的线程池更加健壮，而且功能也更强大。如图3-4所示是线程池的类框图。





图3-4 JDK类库中的线程池的类框图

Executor接口表示线程池，它的execute(Runnable task)方法用来执行Runnable类型的任务。Executor的 子接口ExecutorService中声明了管理线程池的一些方法，比如用于关闭线程池的shutdown()方法等。Executors类中包含一些 静态方法，它们负责生成各种类型的线程池ExecutorService实例，如表3-1所示。

表3-1 Executors类生成的ExecutorService实例的静态方法

Executors类的静态方法	创建的ExecutorService线程池的类型
newCachedThreadPool()	在有任务时才创建新线程，空闲线程被保留60秒
newFixedThreadPool(int nThreads)	线程池中包含固定数目的线程，空闲线程会一直保留。参数nThreads设定线程池中线程的数目
newSingleThreadExecutor()	线程池中只有一个工作线程，它依次执行每个任务
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)	线程池能按时间计划来执行任务，允许用户设定计划执行任务的时间。参数corePoolSize设定线程池中线程的最小数目。当任务较多时，线程池可能会创建更多的工作线程来执行任务
newSingleThreadScheduledExecutor()	线程池中只有一个工作线程，它能按时间计划来执行任务

如例程3-9所示，EchoServer就利用上述线程池来负责与客户通信的任务。

例程3-9 EchoServer.java（使用java.util.concurrent包中的线程池类）

package multithread3; import java.io.*; import java.net.*; import java.util.concurrent.*; public class EchoServer { private int port=8000; private ServerSocket serverSocket; private ExecutorService executorService; //线程池 private final int POOL_SIZE=4; //单个CPU时线程池中工作线程的数目 public EchoServer() throws IOException { serverSocket = new ServerSocket(port); //创建线程池 //Runtime的availableProcessors()方法返回当前系统的CPU的数目 //系统的CPU越多，线程池中工作线程的数目也越多 executorService= Executors.newFixedThreadPool( Runtime.getRuntime().availableProcessors() * POOL_SIZE); System.out.println("服务器启动"); } public void service() { while (true) { Socket socket=null; try { socket = serverSocket.accept(); executorService.execute(new Handler(socket)); }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String args[])throws IOException { new EchoServer().service(); } } /** 负责与单个客户通信的任务，代码与3.6.1节的例程3-5的Handler类相同 */ class Handler implements Runnable{…}

在EchoServer的构造方法中，调用Executors.newFixedThreadPool()创建了具有固定工作线程数目的线程池。在 EchoServer的service()方法中，通过调用executor- Service.execute()方法，把与客户通信的任务交给了 ExecutorService线程池来执行。

3.6.4 使用线程池的注意事项

虽然线程池能大大提高服务器的并发性能，但使用它也会存在一定风险。与所有多线程应用程序一样，用线程池构建的应用程序容易产生各种并发问题，如对 共享资源的竞争和死锁。此外，如果线程池本身的实现不健壮，或者没有合理地使用线程池，还容易导致与线程池有关的死锁、系统资源不足和线程泄漏等问题。

1．死锁

任何多线程应用程序都有死锁风险。造成死锁的最简单的情形是，线程A持有对象X的锁，并且在等待对象Y的锁，而线程B持有对象Y的锁，并且在等待对象X的锁。线程A与线程B都不释放自己持有的锁，并且等待对方的锁，这就导致两个线程永远等待下去，死锁就这样产生了。

虽然任何多线程程序都有死锁的风险，但线程池还会导致另外一种死锁。在这种情形下，假定线程池中的所有工作线程都在执行各自任务时被阻塞，它们都在 等待某个任务A的执行结果。而任务A依然在工作队列中，由于没有空闲线程，使得任务A一直不能被执行。这使得线程池中的所有工作线程都永远阻塞下去，死锁 就这样产生了。

2．系统资源不足

如果线程池中的线程数目非常多，这些线程会消耗包括内存和其他系统资源在内的大量资源，从而严重影响系统性能。

3．并发错误

线程池的工作队列依靠wait()和notify()方法来使工作线程及时取得任务，但这两个方法都难于使用。

如果编码不正确，可能会丢失通知，导致工作线程一直保持空闲状态，无视工作队列中需要处理的任务。因此使用这些方法时，必须格外小心，即便是专家也 可能在这方面出错。最好使用现有的、比较成熟的线程池。例如，直接使用java.util.concurrent包中的线程池类。

4．线程泄漏

使用线程池的一个严重风险是线程泄漏。对于工作线程数目固定的线程池，如果工作线程在执行任务时抛出RuntimeException 或Error，并 且这些异常或错误没有被捕获，那么这个工作线程就会异常终止，使得线程池永久失去了一个工作线程。如果所有的工作线程都异常终止，线程池就最终变为空，没 有任何可用的工作线程来处理任务。

导致线程泄漏的另一种情形是，工作线程在执行一个任务时被阻塞，如等待用户的输入数据，但是由于用户一直不输入数据（可能是因为用户走开了），导致 这个工作线程一直被阻塞。这样的工作线程名存实亡，它实际上不执行任何任务了。假如线程池中所有的工作线程都处于这样的阻塞状态，那么线程池就无法处理新 加入的任务了。

5．任务过载

当工作队列中有大量排队等候执行的任务时，这些任务本身可能会消耗太多的系统资源而引起系统资源缺乏。

综上所述，线程池可能会带来种种风险，为了尽可能避免它们，使用线程池时需要遵循以下原则。

（1）如果任务A在执行过程中需要同步等待任务B的执行结果，那么任务A不适合加入到线程池的工作队列中。如果把像任务A一样的需要等待其他任务执行结果的任务加入到工作队列中，可能会导致线程池的死锁。

（2）如果执行某个任务时可能会阻塞，并且是长时间的阻塞，则应该设定超时时间，避免工作线程永久的阻塞下去而导致线程泄漏。在服务器程序中，当线程等待客户连接，或者等待客户发送的数据时，都可能会阻塞。可以通过以下方式设定超时时间：

◆调用ServerSocket的setSoTimeout(int timeout)方法，设定等待客户连接的超时时间，参见本章3.5.1节（SO_TIMEOUT选项）；

◆对于每个与客户连接的Socket，调用该Socket的setSoTimeout(int timeout)方法，设定等待客户发送数据的超时时间，参见本书第2章的2.5.3节（SO_TIMEOUT选项）。

（3）了解任务的特点，分析任务是执行经常会阻塞的I/O操作，还是执行一直不会阻塞的运算操作。前者时断时续地占用CPU，而后者对CPU具有更高的利用率。预计完成任务大概需要多长时间？是短时间任务还是长时间任务？

根据任务的特点，对任务进行分类，然后把不同类型的任务分别加入到不同线程池的工作队列中，这样可以根据任务的特点，分别调整每个线程池。

（4）调整线程池的大小。线程池的最佳大小主要取决于系统的可用CPU的数目，以及工作队列中任务的特点。假如在一个具有 N 个CPU的系统上只 有一个工作队列，并且其中全部是运算性质（不会阻塞）的任务，那么当线程池具有 N 或 N+1 个工作线程时，一般会获得最大的 CPU 利用率。

如果工作队列中包含会执行I/O操作并常常阻塞的任务，则要让线程池的大小超过可用CPU的数目，因为并不是所有工作线程都一直在工作。选择一个典 型的任务，然后估计在执行这个任务的过程中，等待时间（WT）与实际占用CPU进行运算的时间（ST）之间的比例WT/ST。对于一个具有N个CPU的系 统，需要设置大约N×(1+WT/ST)个线程来保证CPU得到充分利用。

当然，CPU利用率不是调整线程池大小过程中唯一要考虑的事项。随着线程池中工作线程数目的增长，还会碰到内存或者其他系统资源的限制，如套接字、打开的文件句柄或数据库连接数目等。要保证多线程消耗的系统资源在系统的承载范围之内。

（5）避免任务过载。服务器应根据系统的承载能力，限制客户并发连接的数目。当客户并发连接的数目超过了限制值，服务器可以拒绝连接请求，并友好地告知客户：服务器正忙，请稍后再试。