Java多线程总结（6）— 线程池的基本使用和执行流程分析
1 线程池的实现原理及基本类结构
合理利用线程池能够带来三个好处。
- 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。
- 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。
- 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。
Executor线程池框架的最大优点是把任务的提交和执行解耦。客户端将要执行的任务封装成Task，然后提交即可。而Task如何执行客户端则是透明的。具体点讲，提交一个Callable对象给ExecutorService（如最常用的线程池ThreadPoolExecutor），将得到一个Future对象，调用Future对象的get方法等待执行结果。
下图是线程池所涉及到的所有类的结构图（右键查看大图），先从整体把握下：
图1 线程池实现原理类结构图
上面这个图是很复杂的，涉及到了线程池内部实现原理的所有类，不利于我们理解线程池如何使用。我们先从客户端的角度出发，看看客户端使用线程池所涉及到的类结构图：
图2 线程池使用的基本类结构图
从图一可知，实际的线程池类是实现ExecutorService接口的类，有ThreadPoolExecutor、ForkJoinPool和ScheduledThreadPoolExecutor。下面以常用的ThreadPoolExecutor为例讲解。
2 线程池实现步骤
2.1 线程池的创建
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) 参数说明：
- corePoolSize（线程池的基本线程数）： the number of threads to keep in the pool, even if they are idle, unless
allowCoreThreadTimeOutis set.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（线程池最大线程数）： the maximum number of threads to allow in the pool.线程池允许创建的最大线程数。如果任务队列满了，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。
- keepAliveTime（线程活动保持时间）：when the number of threads is greater than the core, this is the maximum time that excess idle threads will wait for new tasks before terminating.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）：the time unit for the keepAliveTime argument. 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)。
- workQueue（任务队列）：the queue to use for holding tasks before they are executed. This queue will hold only the Runnable tasks submitted by the execute method.用于保存等待执行的任务的阻塞队列。 可以选择以下几个阻塞队列。
ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出） 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。 - 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。
- RejectedExecutionHandler（饱和策略）：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。
AbortPolicy：直接抛出异常。
CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
由此可见，创建一个线程所需的参数很多，线程池为我们提供了类Executors的静态工厂方法以创建不同类型的线程池。
- newFixedThreadPool可以生成固定大小的线程池;
- newCachedThreadPool可以生成一个无界、可以自动回收的线程池;
- newSingleThreadScheduledExecutor可以生成一个单个线程的线程池;
- newScheduledThreadPool还可以生成支持周期任务的线程池。
2.2 向线程池提交任务
有两种方式提交任务：
1.使用void execute(Runnable command)方法提交任务
execute方法返回类型为void，所以没有办法判断任务是否被线程池执行成功。
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("Task is running by " + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("线程池正在执行的线程数：" + threadPoolExecutor.getActiveCount());
}
};
threadPool.execute(task);2.使用submit方法提交任务
Future submit(Runnable task);、Future会返回一个Future，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，get方法会阻塞直到任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞一段时间后立即返回，这时有可能任务没有执行完。
Future future = threadPool.submit(task);
try {
Object result = future.get();
System.out.println("任务是否完成：" + future.isDone());
System.out.println("返回的结果为：" + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 关闭线程池
threadPool.shutdown();
}2.3 线程池关闭
shutdown()方法：这个方法会平滑地关闭ExecutorService，当我们调用这个方法时，ExecutorService停止接受任何新的任务且等待已经提交的任务执行完成(已经提交的任务会分两类：一类是已经在执行的，另一类是还没有开始执行的)，当所有已经提交的任务执行完毕后将会关闭ExecutorService。awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)方法：这个方法有两个参数，一个是timeout即超时时间，另一个是unit即时间单位。这个方法会使当前关闭线程池的线程等待timeout时长，当超过timeout时间后，则去监测ExecutorService是否已经关闭，若关闭则返回true，否则返回false。一般情况下会和shutdown方法组合使用。shutdownNow()方法：这个方法会强制关闭ExecutorService，它将取消所有运行中的任务和在工作队列中等待的任务，这个方法返回一个List列表，列表中返回的是等待在工作队列中的任务。
// 4. 关闭线程池
threadPool.shutdown();
// hreadPool.shutdownNow();
System.out.println("线程池是否关闭：" + threadPool.isShutdown());
try {
//当前线程阻塞10ms后，去检测线程池是否终止，终止则返回true
while(!threadPool.awaitTermination(10, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
System.out.println("检测线程池是否终止：" + threadPool.isTerminated());
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程池是否终止：" + threadPool.isTerminated());完整案例：
package com.markliu.concurrent.threadpool;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolDemo1 {
public static void main(String[] args) {
/*
* 1. 创建线程池
*
* 创建一个固定线程数目的线程池。corePoolSize = maximumPoolSize = 5
* 即线程池的基本线程数和最大线程数相等。
* 相当于：
* new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue());
*/
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
/*
* 2. 封装任务并提交给线程池
*/
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) threadPool;
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("Task is running by " + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("线程池正在执行的线程数：" + threadPoolExecutor.getActiveCount());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
/*
* Starts all core threads, causing them to idly wait for work.
* This overrides the default policy of starting core threads
* only when new tasks are executed.
*/
int count = threadPoolExecutor.prestartAllCoreThreads();
System.out.println("开启的所有core线程数：" + count);
System.out.println("线程池当前线程数：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
System.out.println("线程池的core number of threads：" + threadPoolExecutor.getCorePoolSize());
System.out.println("线程池中的最大线程数：" + threadPoolExecutor.getLargestPoolSize());
// 3. 执行，获取返回结果
/**
* execute方式提交任务
*/
// threadPool.execute(task);
/**
* submit方式提交任务
*/
Future future = threadPool.submit(task);
try {
// 阻塞，等待线程执行完成，并获得结果
Object result = future.get();
System.out.println("任务是否完成：" + future.isDone());
System.out.println("返回的结果为：" + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("线程池中已经执行完的任务数：" + threadPoolExecutor.getCompletedTaskCount());
// 4. 关闭线程池
/*
* shutdown方法平滑地关闭线程池，将线程池的状态设为：SHUTDOWN
* 停止接受任何新的任务且等待已经提交的任务执行完成,当所有已经
* 提交的任务执行完毕后将会关闭线程池
*/
threadPool.shutdown();
/*
* shutdownNow方法强制关闭线程池，将线程池状态设置为：STOP
* 取消所有运行中的任务和在工作队列中等待的任务，并返回所有未执行的任务List
*/
// hreadPool.shutdownNow();
System.out.println("线程池是否关闭：" + threadPool.isShutdown());
try {
//当前线程阻塞10ms后，去检测线程池是否终止，终止则返回true
while(!threadPool.awaitTermination(10, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
System.out.println("检测线程池是否终止：" + threadPool.isTerminated());
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程池是否终止：" + threadPool.isTerminated());
}
}
}3 线程池的执行流程分析
线程池的主要工作流程如下图：
当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下：
- 首先线程池判断“基本线程池”（corePoolSize）是否已满？没满，创建一个工作线程来执行任务。满了，则进入下个流程。
- 其次线程池判断工作队列（workQueue）是否已满？没满，则将新提交的任务存储在工作队列里。满了，则进入下个流程。
- 最后线程池判断整个线程池的线程数是否已超过maximumPoolSize？没满，则创建一个新的工作线程来执行任务，满了，则交给拒绝策略来处理这个任务。
（我的理解：提交任务—>如果线程数未达到corePoolSize，则创建线程执行任务—>如果达到corePoolSize，仍让提交了任务，则会有任务等待，所以将任务保存在任务队列中，直到任务队列workQueue已满—>如果workQueue已满，仍然有任务提交，但未达到最大线程数，则继续创建线程执行任务，直到线程数达到maximumPoolSize，如果达到了maximumPoolSize，则根据饱和策略拒绝该任务。这也就解释了为什么有了corePoolSize还有maximumPoolSize的原因。）
关于线程池的工作原理后期从源代码分析。
4 线程池的监控
通过线程池提供的参数进行监控：
- taskCount：线程池需要执行的任务数量。
- completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量。小于或等于taskCount。
- largestPoolSize：线程池曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否满过。如等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满了。
- getPoolSize:线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减
- getActiveCount：获取活动的线程数。
通过继承线程池并重写线程池的beforeExecute，afterExecute和terminated方法，可以在任务执行前，执行后和线程池关闭前干一些事情。如监控任务的平均执行时间，最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。
/**
* 给定的Thread执行Runnable之前调用此方法
*
* @param t the thread that will run task {@code r}
* @param r the task that will be executed
*/
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
/**
* 给定的Runnable完成后执行此方法
* This method is invoked by the thread that executed the task.
* @param r the runnable that has completed
* @param t the exception that caused termination, or null if
* execution completed normally
*/
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }
/**
* 当Executor终止时调用此方法.
* 注意：方法中子类应调用super.terminated()
*/
protected void terminated() { }例如：
class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
// ...
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
super.afterExecute(r, t);
if (t == null && r instanceof Future>) {
try {
Object result = ((Future>) r).get();
} catch (CancellationException ce) {
t = ce;
} catch (ExecutionException ee) {
t = ee.getCause();
} catch (InterruptedException ie) {
Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset
}
}
if (t != null)
System.out.println(t);
}
} 本文只是简单介绍了下线程池的基本使用和简单的处理流程，后期再深入源代码分析。
参考：
http://www.uml.org.cn/j2ee/201212193.asp
http://www.jiagou4.com/2015/07/726.html
http://blog.csdn.net/sayyanfu/article/details/8574098
转载请注明出处：线程池的基本使用和执行流程分析