【智能排班系统】快速消费线程池

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线程池介绍
快速消费线程池
- 快速消费线程池组件
说明

线程池介绍

线程池作为多线程编程中的重要工具，旨在通过复用已创建的线程来减少线程创建与销毁的开销，提升系统资源利用率和并发性能。要有效地使用线程池，理解和配置其核心参数至关重要。

线程池核心参数

创建一个线程池的代码如下，可以看到构造方法需要传递几个参数，下文会详细展示每个参数的含义：

// 导包
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

// 创建线程池
return new ThreadPoolExecutor(poolConfigProperties.getCoreSize(),
	poolConfigProperties.getMaxSize(),
	poolConfigProperties.getKeepAliveTime(),
	TimeUnit.SECONDS,
	//队列的最大容量
	new LinkedBlockingDeque<>(600),
	//使用默认的工程
	Executors.defaultThreadFactory(),
	//使用拒绝新来的拒绝策略
	new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
);

核心线程数（Core Pool Size）

核心线程数是指线程池在初始化时创建并保持活动状态的线程数量。即使这些线程当前没有任务执行，它们也不会被回收。核心线程数通常根据系统资源、预期并发负载和任务特性来设定。核心线程在池中长期存在，能够快速响应新提交的任务，减少任务提交后的等待时间。

最大线程数（Maximum Pool Size）

最大线程数限制了线程池能同时容纳的线程总数。当核心线程数无法满足当前任务需求时，线程池会创建额外的线程直至达到最大线程数。超过这个阈值后，线程池将采取拒绝策略处理新提交的任务。合理设置最大线程数，既能防止资源过度消耗导致系统过载，又能确保在高并发场景下有足够的线程处理任务。

队列（Queue）

线程池通常配合任务队列使用，用于暂存待处理的任务。当所有核心线程都处于忙碌状态且未达到最大线程数时，新提交的任务会被放入队列中等待。常见的队列类型包括无界队列（如 LinkedBlockingQueue）、有界队列（如 ArrayBlockingQueue）和优先级队列（如 PriorityBlockingQueue）。队列的选择和容量大小直接影响线程池的阻塞策略和任务调度效率。

线程空闲超时时间（KeepAliveTime）

当线程池中存在超出核心线程数的非核心线程，并且这些线程在一段时间内（即 KeepAliveTime）没有执行任何任务，则会自动终止。这个参数有助于释放闲置资源，避免资源浪费。对于长期存在大量任务的系统，可以适当增大或关闭这个超时时间。

拒绝策略（RejectedExecutionHandler）

当线程池和队列都无法接纳新任务时，需要采用拒绝策略来处理。常见的拒绝策略有：

AbortPolicy：默认策略，直接抛出 RejectedExecutionException。
CallerRunsPolicy：由提交任务的线程自行执行任务。
DiscardPolicy：默默地丢弃任务，不抛出异常也不执行。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，尝试提交新任务。

在这里插入图片描述

线程池执行流程

初始阶段：线程池创建并启动核心线程数指定数量的线程。此时，如果有任务提交，直接由这些核心线程执行。
核心线程饱和：当所有核心线程都在执行任务且任务队列尚未满时，新提交的任务被放入队列等待。
队列满载：若任务提交速率持续高于线程处理速度，队列达到其容量上限。此时，线程池开始创建新的线程（不超过最大线程数），直接执行新提交的任务。
达到最大线程数：若任务增长仍然无法遏制，线程池达到最大线程数。此时，新提交的任务将触发拒绝策略。
任务减少与线程收缩：当任务提交速率降低，线程池中的线程开始完成任务并变得空闲。对于非核心线程，若在 KeepAliveTime 时间内未获得新任务，将被终止。系统逐渐回归到更低的线程数，直至仅保留核心线程。

在任务量增长的过程中，线程池通过动态调整线程数量和利用任务队列，既保证了系统的响应能力，又防止了资源过度消耗。

快速消费线程池

快速消费线程池通过对上述线程池进行改造，当核心线程饱和时，再提交的任务不是先加入到队列中，而是直接创建非核心线程来执行新提交任务。快速消费线程池可以加快任务的执行，减少任务的堆积。

快速消费线程池组件

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快速消费队列

该类继承自LinkedBlockingQueue，并对其offer方法进行定制，以配合EagerThreadPoolExecutor实现更灵活的任务调度策略。主要目的是在满足特定条件时，促使线程池创建非核心线程以快速处理任务，而非直接将任务放入队列等待处理。

import lombok.Data;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 快速消费任务队列
 */
@Data
public class EagerTaskQueue<R extends Runnable> extends LinkedBlockingQueue<Runnable> {

    private EagerThreadPoolExecutor executor;

    /**
     * 构造函数，传入队列容量参数，用于初始化LinkedBlockingQueue。
     *
     * @param capacity 队列的最大容量
     */
    public EagerTaskQueue(int capacity) {
        super(capacity);
    }

    /**
     * 重写父类LinkedBlockingQueue的offer方法，实现自定义的任务入队逻辑
     * 当没有到达最大线程时，返回false，让其创建非核心线程
     *
     * @param runnable 待添加的任务对象
     * @return 如果任务成功加入队列或触发线程池创建非核心线程，则返回true；否则返回false
     */
    @Override
    public boolean offer(Runnable runnable) {
        // 获取当前线程池的线程数量
        int currentPoolThreadSize = executor.getPoolSize();

        // 检查是否有核心线程处于空闲状态（已提交任务数小于当前线程数）
        if (executor.getSubmittedTaskCount() < currentPoolThreadSize) {
            // 如果有核心线程正在空闲，将任务加入阻塞队列，由核心线程进行处理任务
            return super.offer(runnable);
        }

        // 检查当前线程池线程数量是否小于最大线程数
        if (currentPoolThreadSize < executor.getMaximumPoolSize()) {
//            System.out.println("线程池线程数量小于最大线程数，返回 False，线程池会创建非核心线程");
            // 当前线程池线程数量小于最大线程数，返回false，触发线程池创建非核心线程处理任务
            return false;
        }
        // 如果当前线程池数量大于最大线程数，任务加入阻塞队列，等待线程池中的已有线程处理
        return super.offer(runnable);
    }

    /**
     *
     * @param runnable      待添加的任务对象
     * @param timeout       等待加入队列的超时时间
     * @param timeUnit      超时时间单位
     * @return              如果任务成功加入队列或触发线程池创建非核心线程，则返回true；否则返回false
     * @throws InterruptedException 如果在等待过程中线程被中断
     * @throws RejectedExecutionException 如果线程池已关闭
     */
    public boolean retryOffer(Runnable runnable, long timeout, TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException {
        // 如果线程池已关闭，则抛出RejectedExecutionException异常。
        if (executor.isShutdown()) {
            throw new RejectedExecutionException("Executor is shutdown!");
        }
        return super.offer(runnable, timeout, timeUnit);
    }
}

快速消费线程池

该类继承自ThreadPoolExecutor，并对其进行定制，以实现更灵活的任务调度策略。主要特点包括：

使用自定义的EagerTaskQueue作为工作队列，支持根据线程池状态动态调整任务入队逻辑。
维护正在处理的任务数量计数器（submittedTaskCount），以便EagerTaskQueue判断是否有核心线程处于空闲状态。
在execute方法中，处理任务提交失败的情况，尝试将任务重新投递到队列或使用拒绝策略。

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 快速消费线程池
 */
public class EagerThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor {

    /**
     * 使用AtomicInteger记录当前正在处理的任务数量，提供线程安全的计数操作。
     */
    private final AtomicInteger submittedTaskCount = new AtomicInteger(0);

    /**
     * 构造函数，接受线程池相关的配置参数，包括核心线程数、最大线程数、线程存活时间、时间单位、工作队列、线程工厂和拒绝策略。
     * 工作队列类型为自定义的EagerTaskQueue，用于实现特殊的任务入队逻辑。
     *
     * @param corePoolSize         核心线程数
     * @param maximumPoolSize      最大线程数
     * @param keepAliveTime        线程空闲后的存活时间
     * @param unit                 时间单位
     * @param workQueue            工作队列，类型为EagerTaskQueue
     * @param threadFactory        线程工厂，用于创建新线程
     * @param handler              拒绝策略，当线程池和队列无法接受新任务时的处理方式
     */
    public  EagerThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                   int maximumPoolSize,
                                   long keepAliveTime,
                                   TimeUnit unit,
                                   EagerTaskQueue<Runnable> workQueue,
                                   ThreadFactory threadFactory,
                                   RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler);
    }

    /**
     * 创建一个EagerThreadPoolExecutor实例的便捷方法
     * 包括创建EagerTaskQueue并设置其与线程池的关联
     *
     * @param corePoolSize         核心线程数
     * @param maximumPoolSize      最大线程数
     * @param keepAliveTime        线程空闲后的存活时间
     * @param unit                 时间单位
     * @param queueCapacity        队列容量
     * @param threadFactory        线程工厂，用于创建新线程
     * @param handler              拒绝策略，当线程池和队列无法接受新任务时的处理方式
     * @return                     创建的EagerThreadPoolExecutor实例
     */
    public static EagerThreadPoolExecutor createEagerThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                                                 int maximumPoolSize,
                                                                 long keepAliveTime,
                                                                 TimeUnit unit,
                                                                 int queueCapacity,
                                                                 ThreadFactory threadFactory,
                                                                 RejectedExecutionHandler handler) {
        EagerTaskQueue eagerTaskQueue = new EagerTaskQueue(queueCapacity);
        EagerThreadPoolExecutor eagerThreadPoolExecutor = new EagerThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, eagerTaskQueue, threadFactory, handler);
        eagerTaskQueue.setExecutor(eagerThreadPoolExecutor);
        return eagerThreadPoolExecutor;
    }

    /**
     * 获取当前正在处理的任务数量。
     *
     * @return 当前正在处理的任务数量
     */
    public int getSubmittedTaskCount() {
        return submittedTaskCount.get();
    }

    /**
     * 重写父类的afterExecute方法，当任务执行完成后，将正在执行的任务数量减一。
     * 这是ThreadPoolExecutor提供的钩子方法，用于在任务执行结束后进行清理或其他操作。
     *
     * @param r       执行完毕的任务
     * @param t       执行过程中抛出的异常（如果有的话）
     */
    @Override
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        // 任务执行完成，将正在执行数量-1
        submittedTaskCount.decrementAndGet();
    }

    /**
     * 重写父类的execute方法，用于提交任务到线程池。
     * 在提交任务之前，先将正在执行的任务数量加一。若提交失败，根据具体情况尝试重新投递任务或使用拒绝策略。
     *
     * @param command 待提交的任务
     * @throws RejectedExecutionException 如果任务无法被接受，且无法重新投递到队列
     */
    @Override
    public void execute(Runnable command) {
//        System.out.println("使用快速消费线程池执行任务");

        // 将正在执行任务数量 + 1
        submittedTaskCount.incrementAndGet();
        try {
            super.execute(command);
        } catch (RejectedExecutionException ex) {
            // 任务被拒绝，间隔一定时间，将任务重新投递到队列
            EagerTaskQueue eagerTaskQueue = (EagerTaskQueue) super.getQueue();
            try {
                // 将任务重新投递到队列
                if (!eagerTaskQueue.retryOffer(command, 10, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    // 队列已满，使用拒绝策略，并减少计数
                    submittedTaskCount.decrementAndGet();
                    throw new RejectedExecutionException("Queue capacity is full.", ex);
                }
            } catch (InterruptedException iex) {
                // 重试失败，将正在执行任务数量 - 1
                submittedTaskCount.decrementAndGet();
                throw new RejectedExecutionException(iex);
            }
        } catch (Exception ex) {
            // 执行失败，将正在执行任务数量 - 1
            submittedTaskCount.decrementAndGet();
            throw ex;
        }
    }
}

获取配置文件的配置

在这里插入图片描述

import lombok.Data;
import org.springframework.boot.context.properties.ConfigurationProperties;
import org.springframework.stereotype.Component;

@ConfigurationProperties(prefix = "sss.thread")
@Component//将该配置放到容器中
@Data
public class ThreadPoolConfigProperties {

    private Integer coreSize;
    private Integer maxSize;
    private Integer keepAliveTime;

}

配置线程池Bean到容器中

import com.dam.eager.EagerThreadPoolExecutor;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Configuration
public class MyThreadConfig {

    /**
     * @param poolConfigProperties 如果需要使用到ThreadPoolConfigProperties，一定要使用Component将其加入到容器中
     * @return
     */
    @Bean
    public ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor(ThreadPoolConfigProperties poolConfigProperties) {
        // 普通线程池
//        return new ThreadPoolExecutor(poolConfigProperties.getCoreSize(),
//                poolConfigProperties.getMaxSize(),
//                poolConfigProperties.getKeepAliveTime(),
//                TimeUnit.SECONDS,
//                //队列的最大容量
//                new LinkedBlockingDeque<>(600),
//                //使用默认的工程
//                Executors.defaultThreadFactory(),
//                //使用拒绝新来的拒绝策略
//                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
//        );

        // 快速消费线程池
        return EagerThreadPoolExecutor.createEagerThreadPoolExecutor(
                poolConfigProperties.getCoreSize(),
                poolConfigProperties.getMaxSize(),
                poolConfigProperties.getKeepAliveTime(),
                TimeUnit.SECONDS,
                // 队列的最大容量
                600,
                // 使用默认的工程
                Executors.defaultThreadFactory(),
                // 使用拒绝新来的拒绝策略
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
        );
    }
}