Java多线程之彻底搞懂线程池

1 线程池的优势

总体来说，线程池有如下的优势：

（1）降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

（2）提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。

（3）提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

2 线程池的使用

线程池的真正实现类是 ThreadPoolExecutor，其构造方法有如下4种：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                         int maximumPoolSize,
                         long keepAliveTime,
                         TimeUnit unit,
                         BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
   this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
        Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                         int maximumPoolSize,
                         long keepAliveTime,
                         TimeUnit unit,
                         BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                         ThreadFactory threadFactory) {
   this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
        threadFactory, defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                         int maximumPoolSize,
                         long keepAliveTime,
                         TimeUnit unit,
                         BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                         RejectedExecutionHandler handler) {
   this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
        Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                         int maximumPoolSize,
                         long keepAliveTime,
                         TimeUnit unit,
                         BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                         ThreadFactory threadFactory,
                         RejectedExecutionHandler handler) {
   if (corePoolSize < 0 ||
       maximumPoolSize <= 0 ||
       maximumPoolSize < corePoolSize ||
       keepAliveTime < 0)
       throw new IllegalArgumentException();
   if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
       throw new NullPointerException();
   this.corePoolSize = corePoolSize;
   this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
   this.workQueue = workQueue;
   this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
   this.threadFactory = threadFactory;
   this.handler = handler;
}

可以看到，其需要如下几个参数：

• corePoolSize（必需）：核心线程数。默认情况下，核心线程会一直存活，但是当将 allowCoreThreadTimeout 设置为 true 时，核心线程也会超时回收。

• maximumPoolSize（必需）：线程池所能容纳的最大线程数。当活跃线程数达到该数值后，后续的新任务将会阻塞。

• keepAliveTime（必需）：线程闲置超时时长。如果超过该时长，非核心线程就会被回收。如果将 allowCoreThreadTimeout 设置为 true 时，核心线程也会超时回收。

• unit（必需）：指定 keepAliveTime 参数的时间单位。常用的有：TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MINUTES（分）。

• workQueue（必需）：任务队列。通过线程池的 execute() 方法提交的 Runnable 对象将存储在该参数中。其采用阻塞队列实现。

• threadFactory（可选）：线程工厂。用于指定为线程池创建新线程的方式。

 线程池的使用流程如下：

// 创建线程池
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
                                            MAXIMUM_POOL_SIZE,
                                            KEEP_ALIVE,
                                            TimeUnit.SECONDS,
                                            sPoolWorkQueue,
                                            sThreadFactory);
// 向线程池提交任务
threadPool.execute(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       ... // 线程执行的任务
   }
});
// 关闭线程池
threadPool.shutdown(); // 设置线程池的状态为SHUTDOWN，然后中断所有没有正在执行任务的线程
threadPool.shutdownNow(); // 设置线程池的状态为 STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表

3 线程池的工作原理

下面来描述一下线程池工作的原理，同时对上面的参数有一个更深的了解。其工作原理流程图如下：

通过上图，相信大家已经对所有参数有个了解了。下面再对任务队列、线程工厂和拒绝策略做更多的说明。

4 线程池的参数

4.1 任务队列（workQueue）

任务队列是基于阻塞队列实现的，即采用生产者消费者模式，在 Java 中需要实现 BlockingQueue 接口。但 Java 已经为我们提供了 7 种阻塞队列的实现：

1. ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列（数组结构可配合指针实现一个环形队列）。

2. LinkedBlockingQueue： 一个由链表结构组成的有界阻塞队列，在未指明容量时，容量默认为 Integer.MAX_VALUE。

3. PriorityBlockingQueue： 一个支持优先级排序的 * 阻塞队列，对元素没有要求，可以实现 Comparable 接口也可以提供 Comparator 来对队列中的元素进行比较。跟时间没有任何关系，仅仅是按照优先级取任务。

4. DelayQueue：类似于PriorityBlockingQueue，是二叉堆实现的 * 优先级阻塞队列。要求元素都实现 Delayed 接口，通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。

5. SynchronousQueue： 一个不存储元素的阻塞队列，消费者线程调用 take() 方法的时候就会发生阻塞，直到有一个生产者线程生产了一个元素，消费者线程就可以拿到这个元素并返回；生产者线程调用 put() 方法的时候也会发生阻塞，直到有一个消费者线程消费了一个元素，生产者才会返回。

6. LinkedBlockingDeque： 使用双向队列实现的有界双端阻塞队列。双端意味着可以像普通队列一样 FIFO（先进先出），也可以像栈一样 FILO（先进后出）。

7. LinkedTransferQueue： 它是ConcurrentLinkedQueue、LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的结合体，但是把它用在 ThreadPoolExecutor 中，和 LinkedBlockingQueue 行为一致，但是是 * 的阻塞队列。

 注意有界队列和 * 队列的区别：如果使用有界队列，当队列饱和时并超过最大线程数时就会执行拒绝策略；而如果使用 * 队列，因为任务队列永远都可以添加任务，所以设置 maximumPoolSize 没有任何意义。

4.2 线程工厂（threadFactory）

线程工厂指定创建线程的方式，需要实现 ThreadFactory 接口，并实现 newThread(Runnable r) 方法。该参数可以不用指定，Executors 框架已经为我们实现了一个默认的线程工厂：

/**
* The default thread factory.
*/
private static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
   private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
   private final ThreadGroup group;
   private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
   private final String namePrefix;

DefaultThreadFactory() {
       SecurityManager s = System.getSecurityManager();
       group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                             Thread.currentThread().getThreadGroup();
       namePrefix = "pool-" +
                     poolNumber.getAndIncrement() +
                    "-thread-";
   }

public Thread newThread(Runnable r) {
       Thread t = new Thread(group, r,
                             namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                             0);
       if (t.isDaemon())
           t.setDaemon(false);
       if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
           t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
       return t;
   }
}

4.3 拒绝策略（handler）

当线程池的线程数达到最大线程数时，需要执行拒绝策略。拒绝策略需要实现 RejectedExecutionHandler 接口，并实现 rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 方法。不过 Executors 框架已经为我们实现了 4 种拒绝策略：

1. AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常。

2. CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。

3. DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常。可以配合这种模式进行自定义的处理方式。

4. DiscardOldestPolicy：丢弃队列最早的未处理任务，然后重新尝试执行任务。

5 功能线程池

嫌上面使用线程池的方法太麻烦？其实Executors已经为我们封装好了 4 种常见的功能线程池，如下：

1. 定长线程池（FixedThreadPool）

2. 定时线程池（ScheduledThreadPool ）

3. 可缓存线程池（CachedThreadPool）

4. 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）

5.1 定长线程池（FixedThreadPool）

创建方法的源码：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
   return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
   return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                 threadFactory);
}

• 特点：只有核心线程，线程数量固定，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。

• 应用场景：控制线程最大并发数。

 使用示例：

// 1. 创建定长线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为3
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
 public void run() {
    System.out.println("执行任务啦");
 }
};
// 3. 向线程池提交任务
fixedThreadPool.execute(task);

5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool ）

创建方法的源码：

private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
   return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
   super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
         DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
         new DelayedWorkQueue());
}

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
       int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
   return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                  ThreadFactory threadFactory) {
   super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
         DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
         new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
}

• 特点：核心线程数量固定，非核心线程数量无限，执行完闲置 10ms 后回收，任务队列为延时阻塞队列。

• 应用场景：执行定时或周期性的任务。

 使用示例：

// 1. 创建 定时线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为5
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
 public void run() {
    System.out.println("执行任务啦");
 }
};
// 3. 向线程池提交任务
scheduledThreadPool.schedule(task, 1, TimeUnit.SECONDS); // 延迟1s后执行任务
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(task,10,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);// 延迟10ms后、每隔1000ms执行任务

5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool）

创建方法的源码：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
   return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                 60L, TimeUnit.SECONDS,
                                 new SynchronousQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
   return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                 60L, TimeUnit.SECONDS,
                                 new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                 threadFactory);
}

• 特点：无核心线程，非核心线程数量无限，执行完闲置 60s 后回收，任务队列为不存储元素的阻塞队列。

• 应用场景：执行大量、耗时少的任务。

 使用示例：

// 1. 创建可缓存线程池对象
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
 public void run() {
    System.out.println("执行任务啦");
 }
};
// 3. 向线程池提交任务
cachedThreadPool.execute(task);

5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）

创建方法的源码：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
   return new FinalizableDelegatedExecutorService
       (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                               0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                               new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
   return new FinalizableDelegatedExecutorService
       (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                               0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                               new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                               threadFactory));
}

• 特点：只有 1 个核心线程，无非核心线程，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。

• 应用场景：不适合并发但可能引起 IO 阻塞性及影响 UI 线程响应的操作，如数据库操作、文件操作等

 使用示例：

// 1. 创建单线程化线程池
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
// 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
Runnable task =new Runnable(){
 public void run() {
    System.out.println("执行任务啦");
 }
};
// 3. 向线程池提交任务
singleThreadExecutor.execute(task);

5.5 对比

6 总结

Executors 的 4 个功能线程池虽然方便，但现在已经不建议使用了，而是建议直接通过使用 ThreadPoolExecutor 的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

其实 Executors 的 4 个功能线程有如下弊端：

• FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor：主要问题是堆积的请求处理队列均采用 LinkedBlockingQueue，可能会耗费非常大的内存，甚至 OOM。

• CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool：主要问题是线程数最大数是 Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至 OOM。

来源：https://blog.csdn.net/u013541140/article/details/95225769