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作者 | 磊哥
來源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)
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在 Java 語言中，提高程序的執(zhí)行效率有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一個(gè)是使用線程、另一個(gè)是使用線程池。而在生產(chǎn)環(huán)境下，我們通常會(huì)采用后者。為什么會(huì)這樣呢?今天我們就來聊聊線程池的優(yōu)點(diǎn)，以及池化技術(shù)及其應(yīng)用。
池化技術(shù)
池化技術(shù)指的是提前準(zhǔn)備一些資源，在需要時(shí)可以重復(fù)使用這些預(yù)先準(zhǔn)備的資源。池化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)：提前準(zhǔn)備和重復(fù)利用。以 Java 語言中的對(duì)象創(chuàng)建為例，在對(duì)象創(chuàng)建時(shí)要經(jīng)歷以下步驟：
- 根據(jù) new 標(biāo)識(shí)符后面的參數(shù)，在常量池查找類的符號(hào)引用;
- 如果沒找到符號(hào)應(yīng)用(類并未加載)，進(jìn)行類的加載、解析、初始化等;
- 虛擬機(jī)為對(duì)象在堆中分配內(nèi)存，并將分配的內(nèi)存初始化為 0，針對(duì)對(duì)象頭，建立相應(yīng)的描述結(jié)構(gòu)(耗時(shí)操作：需要查找堆中的空閑區(qū)域，修改內(nèi)存分配狀態(tài)等);
- 調(diào)用對(duì)象的初始化方法(耗時(shí)操作：用戶的復(fù)雜的邏輯驗(yàn)證等操作，如IO、數(shù)值計(jì)算是否符合規(guī)定等)。
從上述的流程中可以看出，創(chuàng)建一個(gè)類需要經(jīng)歷復(fù)雜且耗時(shí)的操作，因此我們應(yīng)該盡量復(fù)用已有的類，以確保程序的高效運(yùn)行，當(dāng)然如果能夠提前創(chuàng)建這些類就再好不過了，而這些功能的實(shí)現(xiàn)依靠的就是池化技術(shù)。
池化技術(shù)應(yīng)用
常見的池化技術(shù)的應(yīng)用有：線程池、內(nèi)存池、數(shù)據(jù)庫連接池、HttpClient 連接池等，接下來，我們分別來看。
線程池
線程池的原理很簡(jiǎn)單，類似于操作系統(tǒng)中的緩沖區(qū)的概念。線程池中會(huì)先啟動(dòng)若干數(shù)量的線程，這些線程都處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)客戶端有一個(gè)新的請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)喚醒線程池中的某一個(gè)睡眠的線程，讓它來處理客戶端的這個(gè)請(qǐng)求，當(dāng)處理完這個(gè)請(qǐng)求之后，線程又處于睡眠的狀態(tài)。線程池能很高地提升程序的性能。比如有一個(gè)省級(jí)數(shù)據(jù)大集中的銀行網(wǎng)絡(luò)中心，高峰期每秒的客戶端請(qǐng)求并發(fā)數(shù)超過 100，如果為每個(gè)客戶端請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)新的線程的話，那耗費(fèi)的 CPU 時(shí)間和內(nèi)存都是十分驚人的，如果采用一個(gè)擁有 200 個(gè)線程的線程池，那將會(huì)節(jié)約大量的系統(tǒng)資源，使得更多的 CPU 時(shí)間和內(nèi)存用來處理實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用，而不是頻繁的線程創(chuàng)建和銷毀。
內(nèi)存池
如何更好地管理應(yīng)用程序內(nèi)存的使用，同時(shí)提高內(nèi)存使用的頻率，這時(shí)值得每一個(gè)開發(fā)人員深思的問題。內(nèi)存池(Memory Pool)就提供了一個(gè)比較可行的解決方案。內(nèi)存池在創(chuàng)建的過程中，會(huì)預(yù)先分配足夠大的內(nèi)存，形成一個(gè)初步的內(nèi)存池。然后每次用戶請(qǐng)求內(nèi)存的時(shí)候，就會(huì)返回內(nèi)存池中的一塊空閑的內(nèi)存，并將這塊內(nèi)存的標(biāo)志置為已使用。當(dāng)內(nèi)存使用完畢釋放內(nèi)存的時(shí)候，也不是真正地調(diào)用 free 或 delete 的過程，而是把內(nèi)存放回內(nèi)存池的過程，且放回的過程要把標(biāo)志置為空閑。最后，應(yīng)用程序結(jié)束就會(huì)將內(nèi)存池銷毀，將內(nèi)存池中的每一塊內(nèi)存釋放。內(nèi)存池的優(yōu)點(diǎn)：
- 減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以從創(chuàng)建內(nèi)存池的過程中看出，當(dāng)我們?cè)趧?chuàng)建內(nèi)存池的時(shí)候，分配的都是一塊塊比較規(guī)整的內(nèi)存塊，減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。
- 提高了內(nèi)存的使用頻率。這個(gè)可以從分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存的過程中看出。每次的分配和釋放并不是去調(diào)用系統(tǒng)提供的函數(shù)或操作符去操作實(shí)際的內(nèi)存，而是在復(fù)用內(nèi)存池中的內(nèi)存。
內(nèi)存池的缺點(diǎn)：會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)，因?yàn)橐褂脙?nèi)存池需要在一開始分配一大塊閑置的內(nèi)存，而這些內(nèi)存不一定全部被用到。
數(shù)據(jù)庫連接池
數(shù)據(jù)庫連接池的基本思想是在系統(tǒng)初始化的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)庫連接作為對(duì)象存儲(chǔ)在內(nèi)存中，當(dāng)用戶需要訪問數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，并非建立一個(gè)新的連接，而是從連接池中取出一個(gè)已建立的空閑連接對(duì)象。在使用完畢后，用戶也不是將連接關(guān)閉，而是將連接放回到連接池中，以供下一個(gè)請(qǐng)求訪問使用，而這些連接的建立、斷開都是由連接池自身來管理的。同時(shí)，還可以設(shè)置連接池的參數(shù)來控制連接池中的初始連接數(shù)、連接的上下限數(shù)和每個(gè)連接的最大使用次數(shù)、最大空閑時(shí)間等。當(dāng)然，也可以通過連接池自身的管理機(jī)制來監(jiān)視連接的數(shù)量、使用情況等。
HttpClient連接池
HttpClient 我們經(jīng)常用來進(jìn)行 HTTP 服務(wù)訪問。我們的項(xiàng)目中會(huì)有一個(gè)獲取任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的功能使用 HttpClient，一秒鐘請(qǐng)求一次，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) Conection Reset 異常。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，問題是出在 HttpClient 的每次請(qǐng)求都會(huì)新建一個(gè)連接，當(dāng)創(chuàng)建連接的頻率比關(guān)閉連接的頻率大的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生大量處于 TIME_CLOSED 狀態(tài)的連接，這個(gè)時(shí)候使用連接池復(fù)用連接就能解決這個(gè)問題。
線程池介紹
線程池是線程使用的一種模式，它將線程和任務(wù)的概念分離開，使用線程來執(zhí)行任務(wù)，并提供統(tǒng)一的線程管理和任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)方法，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程所帶來的性能開銷。
線程池優(yōu)點(diǎn)分析
線程池相比于線程來說，它不需要頻繁的創(chuàng)建和銷毀線程，線程一旦創(chuàng)建之后，默認(rèn)情況下就會(huì)一直保持在線程池中，等到有任務(wù)來了，再用這些已有的線程來執(zhí)行任務(wù)，如下圖所示：
優(yōu)點(diǎn)1：復(fù)用線程，降低資源消耗
線程在創(chuàng)建時(shí)要開辟虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器等私有線程的內(nèi)存空間，而銷毀時(shí)又要回收這些私有空間資源，如下圖所示： 而線程池創(chuàng)建了線程之后就會(huì)放在線程池中，因此線程池相比于線程來說，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以復(fù)用線程、減低系統(tǒng)資源的消耗。
優(yōu)點(diǎn)2：提高響應(yīng)速度
線程池是復(fù)用已有線程來執(zhí)行任務(wù)的，而線程是在有任務(wù)時(shí)才新建的，所以相比于線程來說，線程池能夠更快的響應(yīng)任務(wù)和執(zhí)行任務(wù)。
優(yōu)點(diǎn)3：管控線程數(shù)和任務(wù)數(shù)
線程池提供了更多的管理功能，這里管理功能主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
- 控制最大并發(fā)數(shù)：線程池可以創(chuàng)建固定的線程數(shù)，從而避免了無限創(chuàng)建線程的問題。當(dāng)線程創(chuàng)建過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行變慢，因?yàn)?CPU 核數(shù)是一定的、能同時(shí)處理的任務(wù)數(shù)也是一定的，而線程過多時(shí)就會(huì)造成線程惡意爭(zhēng)搶和線程頻繁切換的問題，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行變慢，所以合適的線程數(shù)才是高性能運(yùn)行的關(guān)鍵。
- 控制任務(wù)最大數(shù)：如果任務(wù)無限多，而內(nèi)存又不足的情況下，就會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行報(bào)錯(cuò)，而線程池可以控制最大任務(wù)數(shù)，當(dāng)任務(wù)超過一定數(shù)量之后，就會(huì)采用拒絕策略來處理多出的任務(wù)，從而保證了系統(tǒng)可以健康的運(yùn)行。
優(yōu)點(diǎn)4：更多增強(qiáng)功能
線程池相比于線程來說提供了更多的功能，比如定時(shí)執(zhí)行和周期執(zhí)行等功能。
總結(jié)
池化技術(shù)指的是提前準(zhǔn)備一些資源，在需要時(shí)可以重復(fù)使用這些預(yù)先準(zhǔn)備的資源。池化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)：提前準(zhǔn)備和重復(fù)利用。線程池是池化技術(shù)的典型場(chǎng)景，線程池的優(yōu)點(diǎn)主要有 4 點(diǎn)：
- 復(fù)用線程，降低了資源消耗;
- 提高響應(yīng)速度;
- 提供了管理線程數(shù)和任務(wù)數(shù)的能力;
- 更多增強(qiáng)功能。
新聞標(biāo)題：面試突擊：為什么需要線程池？什么是池化技術(shù)？
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