Java多线程：彻底搞懂线程池
熟悉Java多线程编程的同学都知道，当我们线程创建过多时，容易引发内存溢出，因此我们就有必要使用线程池的技术了。
目录
1 线程池的优势
2 线程池的使用
3 线程池的工作原理
4 线程池的参数
4.1 任务队列（workQueue）
4.2 线程工厂（threadFactory）
4.3 拒绝策略（handler）
5 功能线程池
5.1 定长线程池（FixedThreadPool）
5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool ）
5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool）
5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）
5.5 对比
6 总结
参考
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 workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue 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。
- handler（可选）：拒绝策略。当达到最大线程数时需要执行的饱和策略。
线程池的使用流程如下：
// 创建线程池
Executor 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：
- 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）。
- 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。
- PriorityBlockingQueue： 一个支持优先级排序的无界阻塞队列，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。
- DelayQueue：类似于PriorityBlockingQueue，是二叉堆实现的无界优先级阻塞队列。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。
- 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。
- 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）。
- 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，但是是无界的阻塞队列。
注意有界队列和无界队列的区别：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；而如果使用无界队列，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：
- AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。
- 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。
- 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：
- 定长线程池（FixedThreadPool）
- 定时线程池（ScheduledThreadPool ）
- 可缓存线程池（CachedThreadPool）
- 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());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue(),
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());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue(),
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()));
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue(),
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。
参考
- Android多线程：线程池ThreadPool 全面解析
- 还在用Executors创建线程池？小心内存溢出
- 《阿里巴巴java开发手册》
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