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使用线程执行框架的一次经历

使用线程执行框架的一次经历

场景

一个线程从某个地方接收消息(数据),可以是其他主机或者消息队列,然后转由另外的一个线程池来执行具体处理消息的逻辑,并且消息的处理速度小于接收消息的速度。这种情景很常见,试想一下,你会怎么设计和实现?

直观想法

很显然采用JUC的线程框架,可以迅速写出代码。

消息接收者:

public class Receiver {
    private static volatile boolean inited = false;
    private static volatile boolean shutdown = false;
    private static volatile int cnt = 0;

    private MessageHandler messageHandler;

    public void start(){
        Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(!shutdown){
                    init();
                    recv();
                }
            }
        });
    }

    /**
     * 模拟消息接收
     */
    public void recv(){
            Message msg = new Message("Msg" + System.currentTimeMillis());
            System.out.println(String.format("接收到消息(%d): %s", ++cnt, msg));
            messageHandler.handle(msg);
    }

    public void init(){
        if(!inited){
            messageHandler = new MessageHandler();
            inited = true;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Receiver().start();
    }
}

消息处理:

public class MessageHandler {

    private static final int THREAD_POOL_SIZE = 4;

    private ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);

    public void handle(Message msg) {
        try {
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    parseMsg(msg);
                }
            });
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("消息处理异常" + e);
        }
    }

    /**
     * 比较耗时的消息处理流程
     */
    public void parseMsg(Message message) {
        while (true) {
            try {
                System.out.println("解析消息:" + message);
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println("============================");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

效果:这种方案导致的现象是接收到的消息会迅速堆积,我们从消息队列(或者其他地方)取出了大量消息,但是处理线程的速度又跟不上,所以导致的问题是大量的Task会堆积在线程池底层维护的一个阻塞队列中,这会极大的耗费存储空间,影响系统的性能。

分析:当execute()一个任务的时候,如果有空闲的worker线程,那么投入运行,否则看设置的最大线程个数,没有达到线程个数限制就创建新线程,接新任务,否则就把任务缓冲到一个阻塞队列中,问题就是这个队列,默认的大小是没有限制的,所以就会大量的堆积任务,必然耗费heap空间。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }
    
public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE); // capacity
    }

使用线程执行框架的一次经历

计数限制

面对上述问题,想到了要限制消息接收的速度,自然就想到了各种线程同步的原语,不过在这里最简单的就是使用一个volatile的计数器。

消息接收者:

public class Receiver {
    private static volatile boolean inited = false;
    private static volatile boolean shutdown = false;
    private static volatile int cnt = 0;
    private MessageHandler messageHandler;
    public void start(){
        Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(!shutdown){
                    init();
                    recv();
                }
            }
        });
    }

    /**
     * 模拟消息接收
     */
    public void recv(){
            Message msg = new Message("Msg" + System.currentTimeMillis());
            System.out.println(String.format("接收到消息(%d): %s", ++cnt, msg));
            messageHandler.handle(msg);
    }

    public void init(){
        if(!inited){
            messageHandler = new MessageHandler();
            inited = true;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Receiver().start();
    }
}

消息处理:

public class MessageHandler {
    private static final int THREAD_POOL_SIZE = 1;
    private ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);


    public void handle(Message msg){
        try {
            service.execute(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    parseMsg(msg);
                }
            });
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("消息处理异常" + e);
        }
    }

    /**
     * 比较耗时的消息处理流程
     */
    public void parseMsg(Message message){
        try {
            Thread.sleep(10000);
            System.out.println("解析消息:" + message);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            Receiver.limit --;
        }

    }
}

效果:通过控制消息的个数来阻塞消息的接收过程,就不会导致任务的堆积,系统的内存消耗会比较平缓,限制消息的个数本质就和下面限制任务队列大小一样。

使用线程执行框架的一次经历

使用同步队列 SynchronousQueue

SynchronousQueue 虽名为队列,但是其实不会缓冲任务的对象,只是作为对象传递的控制点,如果有空闲线程或者没有达到最大线程限制,就会交付给worker线程去执行,否则就会拒绝,我们需要自己实现对应的拒绝策略RejectedExecutionHandler,默认的是抛出异常RejectedExecutionException。

消息接收者同上。

消息处理:

public class MessageHandler {
    private static final int THREAD_POOL_SIZE = 4;

    ThreadPoolExecutor service = new ThreadPoolExecutor(THREAD_POOL_SIZE, THREAD_POOL_SIZE, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>(), new RejectedExecutionHandler() {
        @Override
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
            System.out.println("自定义拒绝策略");
            try {
                executor.getQueue().put(r);
                System.out.println("重新放任务回队列");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });

    public void handle(Message msg) {
        try {
            System.out.println(service.getTaskCount());
            System.out.println(service.getQueue().size());
            System.out.println(service.getCompletedTaskCount());
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    parseMsg(msg);
                }
            });
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("消息处理异常" + e);
        }
    }

    /**
     * 比较耗时的消息处理流程
     */
    public void parseMsg(Message message) {
        while (true) {
            try {
                System.out.println("线程名:" + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("解析消息:" + message);
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

效果:能够控制消息的接收速度,但是我们需要在rejectedExecution中实现某种阻塞的操作,但是选择在发生拒绝的时候把任务重新放回队列,带来的问题就是这个Task会发生饥饿现象。

使用线程执行框架的一次经历

使用大小限制的阻塞队列

使用LinkedBlockingQueue作为线程框架底层的任务缓冲区,并且设置大小限制,思想上和上述方案一样,都是有一个阻塞的点,但是通过最后的jvm monitor看到这里的CPU消耗更少,内存使用有所降低,并且波动小(具体原因有待探索)。

消息接收者同上。

消息处理:

public class MessageHandler {
    private static final int THREAD_POOL_SIZE = 4;
    private static final int BLOCK_QUEUE_CAP = 500;
    ThreadPoolExecutor service = new ThreadPoolExecutor(THREAD_POOL_SIZE, THREAD_POOL_SIZE, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>(BLOCK_QUEUE_CAP), new SimpleThreadFactory(), new RejectedExecutionHandler() {
        @Override
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
            System.out.println("自定义拒绝策略");
            try {
                executor.getQueue().put(r);
                System.out.println("重新放任务回队列");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });

    public void handle(Message msg) {
        try {
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    parseMsg(msg);
                }
            });
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("消息处理异常" + e);
        }
    }

    /**
     * 比较耗时的消息处理流程
     */
    public void parseMsg(Message message) {
        try {
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("线程名:" + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("解析消息:" + message);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class SimpleThreadFactory implements ThreadFactory {

        @Override
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread thread = new Thread(r);
            thread.setName("Thread-" + System.currentTimeMillis());
            return thread;
        }
    }
}

使用线程执行框架的一次经历

总结

  • 多线程是比较容易出问题的地方,特别当对方法不熟悉的时候
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