Java并发编程 | 第一篇： Java线程池

1、什么是线程池

线程池的基本思想是一种对象池，在程序启动时就开辟一块内存空间，里面存放了众多(未死亡)的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

2、使用线程池的好处

1. 减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
2. 运用线程池能有效的控制线程最大并发数，可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存，线程开的越多，消耗的内存也就越大，最后死机)。
3. 对线程进行一些简单的管理，比如：延时执行、定时循环执行的策略等，运用线程池都能进行很好的实现

3、线程池的主要组件

一个线程池包括以下四个基本组成部分：

1. 线程池管理器（ThreadPool）：用于创建并管理线程池，包括 创建线程池，销毁线程池，添加新任务；
2. 工作线程（WorkThread）：线程池中线程，在没有任务时处于等待状态，可以循环的执行任务；
3. 任务接口（Task）：每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度任务的执行，它主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工作，任务的执行状态等；
4. 任务队列（taskQueue）：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

4、ThreadPoolExecutor类

讲到线程池，要重点介绍java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类，ThreadPoolExecutor线程池中最核心的一个类，ThreadPoolExecutor在JDK中线程池常用类UML类关系图如下：

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池

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1new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize,keepAliveTime, 

2milliseconds,runnableTaskQueue, threadFactory,handler);

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1. 创建一个线程池需要输入几个参数

• corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
• maximumPoolSize（线程池最大大小）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
• runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。
• ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字，Debug和定位问题时非常又帮助。
• RejectedExecutionHandler（拒绝策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。以下是JDK1.5提供的四种策略。n AbortPolicy：直接抛出异常。
• keepAliveTime（线程活动保持时间）：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
• TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。

2. 向线程池提交任务

我们可以通过execute()或submit()两个方法向线程池提交任务，不过它们有所不同

• execute()方法没有返回值，所以无法判断任务知否被线程池执行成功

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1threadsPool.execute(new Runnable() {

2    @Override

3    public void run() {

4    // TODO Auto-generated method stub

5   }

6});

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• submit()方法返回一个future,那么我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功，通过future的get方法来获取返回值

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1try {

2     Object s = future.get();

3   } catch (InterruptedException e) {

4   // 处理中断异常

5   } catch (ExecutionException e) {

6   // 处理无法执行任务异常

7   } finally {

8   // 关闭线程池

9   executor.shutdown();

10}

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3. 线程池的关闭

我们可以通过shutdown()或shutdownNow()方法来关闭线程池，不过它们也有所不同

• shutdown的原理是只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。
• shutdownNow的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。shutdownNow会首先将线程池的状态设置成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。

4. ThreadPoolExecutor执行的策略

1. 线程数量未达到corePoolSize，则新建一个线程(核心线程)执行任务
2. 线程数量达到了corePools，则将任务移入队列等待
3. 队列已满，新建线程(非核心线程)执行任务
4. 队列已满，总线程数又达到了maximumPoolSize，就会由(RejectedExecutionHandler)抛出异常

新建线程 -> 达到核心数 -> 加入队列 -> 新建线程（非核心） -> 达到最大数 -> 触发拒绝策略

5. 四种拒绝策略

1. AbortPolicy：不执行新任务，直接抛出异常，提示线程池已满，线程池默认策略
2. DiscardPolicy：不执行新任务，也不抛出异常，基本上为静默模式。
3. DisCardOldSetPolicy：将消息队列中的第一个任务替换为当前新进来的任务执行
4. CallerRunPolicy：拒绝新任务进入，如果该线程池还没有被关闭，那么这个新的任务在执行线程中被调用）

5、Java通过Executors提供四种线程池

1. CachedThreadPool()：可缓存线程池。

• 线程数无限制
• 有空闲线程则复用空闲线程，若无空闲线程则新建线程

一定程序减少频繁创建/销毁线程，减少系统开销

1. FixedThreadPool()：定长线程池。

• 可控制线程最大并发数（同时执行的线程数）
• 超出的线程会在队列中等待

1. ScheduledThreadPool()：

• 定时线程池。
• 支持定时及周期性任务执行。

1. SingleThreadExecutor()：单线程化的线程池。

• 有且仅有一个工作线程执行任务
• 所有任务按照指定顺序执行，即遵循队列的入队出队规则

1. newCachedThreadPool

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程

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1public class ThreadPoolExecutorTest1 {

2   public static void main(String[] args) {

3       ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

4       for (int i = 0; i < 1000; i++) {

5           final int index = i;

6           try {

7               Thread.sleep(index * 1000);

8           } catch (Exception e) {

9               e.printStackTrace();

10          }

11          cachedThreadPool.execute(new Runnable() {

12              public void run() {

13                  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+index);

14              }

15          });

16      }

17  }

18}

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2. newFixedThreadPool

newFixedThreadPool创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待，指定线程池中的线程数量和最大线程数量一样，也就线程数量固定不变

示例代码如下

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1public class ThreadPoolExecutorTest {

2   public static void main(String[] args) {

3       ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);// 每隔两秒打印3个数

4       for (int i = 0; i < 10; i++) {

5           final int index = i;

6           fixedThreadPool.execute(new Runnable() {

7               public void run() {

8                   try {

9                       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+index);

10                      //三个线程并发

11                      Thread.sleep(2000);

12                  } catch (InterruptedException e) {

13                      e.printStackTrace();

14                  }

15              }

16          });

17      }

18  }

19}

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3. newscheduledThreadPool

newscheduledThreadPool创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下.表示延迟1秒后每3秒执行一次

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1public class ThreadPoolExecutorTest3 {

2   public static void main(String[] args) {

3       ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);

4       scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {

5           public void run() {

6               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");

7           }

8       }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);// 表示延迟1秒后每3秒执行一次

9   }

10}

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4. newSingleThreadExecutor

newSingleThreadExecutor创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行

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1public class ThreadPoolExecutorTest4 {

2   public static void main(String[] args) {

3       ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();

4       for (int i = 0; i < 10; i++) {

5           final int index = i;

6           singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {

7               public void run() {

8                   try {

9                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + index);

10                      Thread.sleep(1000);

11                  } catch (InterruptedException e) {

12                      e.printStackTrace();

13                  }

14              }

15          });

16      }

17  }

18}

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结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。使用JDK自带的监控工具来监控我们创建的线程数量，运行一个不终止的线程，创建指定量的线程，来观察

6、线程池ThreadPoolExecutor参数设置

参数的设置跟系统的负载有直接的关系，下面为系统负载的相关参数：

• tasks，每秒需要处理的的任务数
• tasktime，处理每个任务花费的时间
• responsetime，系统允许任务最大的响应时间，比如每个任务的响应时间不得超过2秒。

corePoolSize

每个任务需要tasktime秒处理，则每个线程每钞可处理1/tasktime个任务。系统每秒有tasks个任务需要处理，则需要的线程数为：tasks/(1/tasktime)，即tasks*tasktime个线程数。

假设系统每秒任务数为100 ~ 1000，每个任务耗时0.1秒，则需要100 * 0.1至1000 * 0.1，即10 ~ 100个线程。那么corePoolSize应该设置为大于10，具体数字最好根据8020原则，即80%情况下系统每秒任务数小于200，最多时为1000，则corePoolSize可设置为20。

maxPoolSize

当系统负载达到最大值时，核心线程数已无法按时处理完所有任务，这时就需要增加线程。每秒200个任务需要20个线程，那么当每秒达到1000个任务时，则需要(1000-queueCapacity)*(20/200)，即60个线程，可将maxPoolSize设置为60。

queueCapacity

任务队列的长度要根据核心线程数，以及系统对任务响应时间的要求有关。队列长度可以设置为(corePoolSize/tasktime)*responsetime： (20/0.1)*2=400，即队列长度可设置为400。

队列长度设置过大，会导致任务响应时间过长，切忌以下写法：

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1LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();

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这实际上是将队列长度设置为Integer.MAX_VALUE，将会导致线程数量永远为corePoolSize，再也不会增加，当任务数量陡增时，任务响应时间也将随之陡增。

keepAliveTime

当负载降低时，可减少线程数量，当线程的空闲时间超过keepAliveTime，会自动释放线程资源。默认情况下线程池停止多余的线程并最少会保持corePoolSize个线程。

allowCoreThreadTimeout

默认情况下核心线程不会退出，可通过将该参数设置为true，让核心线程也退出。