JUC学习笔记 -- (10) 线程池
为什么用线程池
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创建/销毁线程伴随着系统开销，过于频繁的创建/销毁线程，会很大程度上影响处理效率
例如：
记创建线程消耗时间T1，执行任务消耗时间T2，销毁线程消耗时间T3
如果T1+T3>T2，那么是不是说开启一个线程来执行这个任务太不划算了！
正好，线程池缓存线程，可用已有的闲置线程来执行新任务，避免了T1+T3带来的系统开销
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线程并发数量过多，抢占系统资源从而导致阻塞
我们知道线程能共享系统资源，如果同时执行的线程过多，就有可能导致系统资源不足而产生阻塞的情况
运用线程池能有效的控制线程最大并发数，避免以上的问题
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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
线程池的总体架构
接口：Executor,CompletionService,ExecutorService，ScheduledExecutorService
抽象类：AbstractExecutorService
实现类：ExecutorCompletionService，ThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor
线程池ThreadPoolExecutor
在Java中，线程池的概念是Executor这个接口，具体实现为ThreadPoolExecutor类，学习Java中的线程池，就可以直接学习他了
对线程池的配置，就是对ThreadPoolExecutor构造函数的参数的配置，既然这些参数这么重要，就来看看构造函数的各个参数吧
ThreadPoolExecutor提供了四个构造函数
//五个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue)
//六个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory)
//六个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
RejectedExecutionHandler handler)
//七个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
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int corePoolSize => 该线程池中核心线程数最大值
核心线程：
线程池新建线程的时候，如果当前线程总数小于corePoolSize，则新建的是核心线程，如果超过corePoolSize，则新建的是非核心线程
核心线程默认情况下会一直存活在线程池中，即使这个核心线程啥也不干(闲置状态)。
如果指定ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut这个属性为true，那么核心线程如果不干活(闲置状态)的话，超过一定时间(时长下面参数决定)，就会被销毁掉
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int maximumPoolSize
该线程池中线程总数最大值
线程总数 = 核心线程数 + 非核心线程数。
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long keepAliveTime
该线程池中非核心线程闲置超时时长
一个非核心线程，如果不干活(闲置状态)的时长超过这个参数所设定的时长，就会被销毁掉
如果设置allowCoreThreadTimeOut = true，则会作用于核心线程
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TimeUnit unit
keepAliveTime的单位，TimeUnit是一个枚举类型，其包括：
- NANOSECONDS ： 1微毫秒 = 1微秒 / 1000
- MICROSECONDS ： 1微秒 = 1毫秒 / 1000
- MILLISECONDS ： 1毫秒 = 1秒 /1000
- SECONDS ： 秒
- MINUTES ： 分
- HOURS ： 小时
- DAYS ： 天
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BlockingQueue
workQueue 该线程池中的任务队列：维护着等待执行的Runnable对象
当所有的核心线程都在干活时，新添加的任务会被添加到这个队列中等待处理，如果队列满了，则新建非核心线程执行任务
常用的workQueue类型：
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SynchronousQueue：这个队列接收到任务的时候，会直接提交给线程处理，而不保留它，如果所有线程都在工作怎么办？那就新建一个线程来处理这个任务！所以为了保证不出现<线程数达到了maximumPoolSize而不能新建线程>的错误，使用这个类型队列的时候，maximumPoolSize一般指定成Integer.MAX_VALUE，即无限大
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LinkedBlockingQueue：这个队列接收到任务的时候，如果当前线程数小于核心线程数，则新建线程(核心线程)处理任务；如果当前线程数等于核心线程数，则进入队列等待。由于这个队列没有最大值限制，即所有超过核心线程数的任务都将被添加到队列中，这也就导致了maximumPoolSize的设定失效，因为总线程数永远不会超过corePoolSize
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ArrayBlockingQueue：可以限定队列的长度，接收到任务的时候，如果没有达到corePoolSize的值，则新建线程(核心线程)执行任务，如果达到了，则入队等候，如果队列已满，则新建线程(非核心线程)执行任务，又如果总线程数到了maximumPoolSize，并且队列也满了，则发生错误
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DelayQueue：队列内元素必须实现Delayed接口，这就意味着你传进去的任务必须先实现Delayed接口。这个队列接收到任务时，首先先入队，只有达到了指定的延时时间，才会执行任务
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ThreadFactory threadFactory
线程工厂，用来创建线程。
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RejectedExecutionHandler handler 线程饱和拒绝策略
AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException
CallerRunsPolicy：只要线程池未关闭，该策略直接在调用者线程中，运行当前被丢弃的任务。显然这样做不会真的丢弃任务，但是，任务提交线程的性能极有可能会急剧下降。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的一个请求，也就是即将被执行的一个任务，并尝试再次提交当前任务。
DiscardPolicy：丢弃任务，不做任何处理。
新建一个线程池的时候，一般只用5个参数的构造函数。
向ThreadPoolExecutor添加任务
那说了这么多，你可能有疑惑，我知道new一个ThreadPoolExecutor，大概知道各个参数是干嘛的，可是我new完了，怎么向线程池提交一个要执行的任务啊？
通过ThreadPoolExecutor.execute(Runnable command)方法向线程池内添加一个任务
或者使用ThreadPoolExecutor.submit(Runnable command)方法向线程池内添加一个任务，此方法可以获取返回值，而execute方法无法获取返回值。
ThreadPoolExecutor的策略
上面介绍参数的时候其实已经说到了ThreadPoolExecutor执行的策略，这里给总结一下，当一个任务被添加进线程池时：
- 线程数量未达到corePoolSize，则新建一个线程(核心线程)执行任务
- 线程数量达到了corePools，则将任务移入队列等待
- 队列已满，新建线程(非核心线程)执行任务
- 队列已满，总线程数又达到了maximumPoolSize，就会由上面RejectedExecutionHandler抛出异常
线程池的关闭
ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：
shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
常见四种线程池
如果你不想自己写一个线程池，那么你可以从下面看看有没有符合你要求的(一般都够用了)，如果有，那么很好你直接用就行了，如果没有，那你就老老实实自己去写一个吧
Java通过Executors提供了四种线程池，这四种线程池都是直接或间接配置ThreadPoolExecutor的参数实现的，下面我都会贴出这四种线程池构造函数的源码，各位大佬们一看便知！
newCachedThreadPool()
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
- 一定程度减少频繁创建/销毁线程，减少系统开销
创建方法：
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
源码：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue());
}
缓存线程池，缓存的线程默认存活60秒。线程的核心池corePoolSize大小为0，核心池最大为Integer.MAX_VALUE,阻塞队列使用的是SynchronousQueue。是一个直接提交的阻塞队列， 他总会迫使线程池增加新的线程去执行新的任务。在没有任务执行时，当线程的空闲时间超过keepAliveTime（60秒），则工作线程将会终止被回收，当提交新任务时，如果没有空闲线程，则创建新线程执行任务，会导致一定的系统开销。如果同时又大量任务被提交，而且任务执行的时间不是特别快，那么线程池便会新增出等量的线程池处理任务，这很可能会很快耗尽系统的资源。
newFixedThreadPool()
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
创建方法：
//nThreads => 最大线程数即maximumPoolSize
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads);
//threadFactory => 创建线程的方法
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory);
源码：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue());
}
固定大小的线程池，可以指定线程池的大小，该线程池corePoolSize和maximumPoolSize相等，阻塞队列使用的是LinkedBlockingQueue，大小为整数最大值。
该线程池中的线程数量始终不变，当有新任务提交时，线程池中有空闲线程则会立即执行，如果没有，则会暂存到阻塞队列。对于固定大小的线程池，不存在线程数量的变化。同时使用无界的LinkedBlockingQueue来存放执行的任务。当任务提交十分频繁的时候，LinkedBlockingQueue
迅速增大，存在着耗尽系统资源的问题。而且在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它也不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源，需要shutdown。
newScheduledThreadPool()
定长线程池：
- 支持定时及周期性任务执行。
创建方法：
//nThreads => 最大线程数即maximumPoolSize
ExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize);
源码：
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
//ScheduledThreadPoolExecutor():
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}
定时线程池，该线程池可用于周期性地去执行任务，通常用于周期性的同步数据。
newSingleThreadExecutor()
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
创建方法：
ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadPool();
源码：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue()));
}
单个线程线程池，只有一个线程的线程池，阻塞队列使用的是LinkedBlockingQueue,若有多余的任务提交到线程池中，则会被暂存到阻塞队列，待空闲时再去执行。按照先入先出的顺序执行任务。
使用实例:
newCachedThreadPool的实例:
public class TestThreadPool {
private static Runnable getThread(final int i){
return new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
}catch (Exception e){
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":输出"+i);
}
};
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
for(int i=0;i<10;i++){
pool.submit(getThread(i));
}
}
}这里没用调用shutDown方法，这里可以发现过60秒之后，会自动释放资源。
执行结果:
可以看出，newCachedThreadPool线程池是有多少任务就创建多少个线程去处理。
newFixedThreadPool的实例:
public class TestThreadPool {
private static Runnable getThread(final int i){
return new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
}catch (Exception e){
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":输出"+i);
}
};
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
for(int i=0;i<10;i++){
pool.submit(getThread(i));
}
pool.shutdown();
}
}这里需要注意一点，newSingleThreadExecutor和newFixedThreadPool一样，在线程池中没有任务时可执行，也不会释放系统资源的，所以需要shudown。
执行结果:
可以看出不管有多少任务，newFixedThreadPool最多之创建固定数量的线程去处理。
newSingleThreadExecutor实例:
public class TestThreadPool {
private static Runnable getThread(final int i){
return new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
}catch (Exception e){
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":输出"+i);
}
};
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
for(int i=0;i<10;i++){
pool.submit(getThread(i));
}
pool.shutdown();
}
}和newFixedThreadPool一样，在线程池中没有任务时可执行，也不会释放系统资源的，所以需要shudown。
执行结果:
可以看到，不管有多少任务，始终只有一个线程在执行。
newScheduledThreadPool的实例:
public class TestThreadPool {
private static Runnable getThread(final int i){
return new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
}catch (Exception e){
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":输出"+i);
}
};
}
public static void main(String[] args) {
ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
for(int i=0;i<10;i++){
pool.schedule(getThread(i), 2, TimeUnit.SECONDS);
}
pool.shutdown();
}
}执行结果:
所有线程延迟固定时间执行。
注:以上所有提交线程都可以是Callable，返回值是Future,可以获取到返回值。
最后杂谈
如何选择线程池数量
线程池的大小决定着系统的性能，过大或者过小的线程池数量都无法发挥最优的系统性能。
当然线程池的大小也不需要做的太过于精确，只需要避免过大和过小的情况。一般来说，确定线程池的大小需要考虑CPU的数量，内存大小，任务是计算密集型还是IO密集型等因素
NCPU = CPU的数量
UCPU = 期望对CPU的使用率 0 ≤ UCPU ≤ 1
W/C = 等待时间与计算时间的比率
如果希望处理器达到理想的使用率，那么线程池的最优大小为：
线程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)
在Java中使用
int ncpus = Runtime.getRuntime().availableProcessors();获取CPU的数量。
线程池工厂
Executors的线程池如果不指定线程工厂会使用Executors中的DefaultThreadFactory,默认线程池工厂创建的线程都是非守护线程。
使用自定义的线程工厂可以做很多事情，比如可以跟踪线程池在何时创建了多少线程，也可以自定义线程名称和优先级。如果将
新建的线程都设置成守护线程，当主线程退出后，将会强制销毁线程池。
下面这个例子，记录了线程的创建，并将所有的线程设置成守护线程。
public class ThreadFactoryDemo {
public static class MyThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"Thread ID:"+Thread.currentThread().getId());
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args){
MyThread task = new MyThread();
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MICROSECONDS, new SynchronousQueue(), new ThreadFactory() {
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
t.setDaemon(true);
System.out.println("创建线程"+t);
return t;
}
});
for (int i = 0;i<=4;i++){
es.submit(task);
}
}
}
扩展线程池
ThreadPoolExecutor是可以拓展的，它提供了几个可以在子类中改写的方法：beforeExecute,afterExecute和terimated。
在执行任务的线程中将调用beforeExecute和afterExecute,这些方法中还可以添加日志，计时，监视或统计收集的功能，
还可以用来输出有用的调试信息，帮助系统诊断故障。
线程池的正确使用
以下阿里编码规范里面说的一段话：
线程池不允许使用Executors去创建，而是通过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。 说明：Executors各个方法的弊端：
1）newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor:
主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存，甚至OOM。
2）newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:
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。
手动创建线程池有几个注意点
1.任务独立。如果任务依赖于其他任务，那么可能产生死锁。例如某个任务等待另一个任务的返回值或执行结果，那么除非线程池足够大，否则将发生线程饥饿死锁。
2.合理配置阻塞时间过长的任务。如果任务阻塞时间过长，那么即使不出现死锁，线程池的性能也会变得很糟糕。在Java并发包里可阻塞方法都同时定义了限时方式和不限时方式。例如
Thread.join,BlockingQueue.put,CountDownLatch.await等，如果任务超时，则标识任务失败，然后中止任务或者将任务放回队列以便随后执行，这样，无论任务的最终结果是否成功，这种办法都能够保证任务总能继续执行下去。
3.设置合理的线程池大小。只需要避免过大或者过小的情况即可，上文的公式线程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)。
4.选择合适的阻塞队列。newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor都使用了无界的阻塞队列，无界阻塞队列会有消耗很大的内存，如果使用了有界阻塞队列，它会规避内存占用过大的问题，但是当任务填满有界阻塞队列，新的任务该怎么办？在使用有界队列是，需要选择合适的拒绝策略，队列的大小和线程池的大小必须一起调节。对于非常大的或者无界的线程池，可以使用SynchronousQueue来避免任务排队，以直接将任务从生产者提交到工作者线程。