Java多线程案例之线程池
目录
一、介绍线程池
1.1 为什么线程池比创建新线程快？
1.2 线程池的优点
二、标准库中的线程池
2.1 为何需要使用工厂模式创建线程而不使用常见的 构造方法呢？
三、模拟实现线程池
3.1 为什么N个任务不对应N个线程来完成任务呢?
3.2 如何把N个任务分配给M个线程执行呢？
3.3 代码实现线程池：
四、ThreadPoolExecutor(线程池)的工作流程和拒绝策略
4.1 Executors 创建线程池的几种方式
4.2 认识ThreadPoolExecutor
4.3 RejectedExecutionHandler (线程池的拒绝策略)
4.3.1 拒绝策略的应用场景
4.3.2 实际开发中，线程池的线程数目，如何确认?设计为几比较合适？(延申)
4.4 线程池的工作流程
前言：在讲解线程池的概念之前，我们先来谈谈线程和进程，我们知道线程诞生的目的其实是因为进程太过重量了，导致系统在 销毁/创建 进程时比较低效（具体指 内存资源的申请和释放）。
而线程，其实做到了共享内存资源，新的线程复用之前的资源（也就不必再申请了）。
但是如果线程创建的速率进一步的频繁，此时线程创建销毁的开销仍然不能忽略，这时就需要线程池来进一步优化这里的速度了。
一、介绍线程池
线程池是一种线程使用模式。当线程过多时会带来调度开销，进而影响缓存局限性和整体性能。
而线程池维护这多个线程，等待监督管理分配可并发执行的任务，避免了处理短时间任务时创建与销毁线程的代价，线程池不仅能保证内核的充分利用，还能防止过分调度。
1.1 为什么线程池比创建新线程快？
首先我们要明白线程池中取线程的过程，池中的线程执行任务时候，不需要再重新创建线程，而是直接从池子里取出一个现成的线程，直接使用，使用之后并非销毁，而是放回到线程池中。
回到上面的问题，那 为什么直接取一个现成的线程要快一点呢?
：可能有人会回答，创建线程需要申请资源，因此利用现有的线程池比创建线程更轻量，虽然创建线程确实是有申请资源，但这并不是最主要的。
那就先说结论吧，使用线程池是纯用户态操作，而创建线程需要经历用户态到内核态的转变。因此，线程池这种纯用户态要比后者快。
用户态：每个线程都自己执行自己的逻辑。
内核态;一个系统只有这一份内核在执行逻辑，这个内核需要给所有的进程提高服务。
下面进一步讲解线程和线程池的运作过程：
创建线程：我们知道线程本质上是PCB（内核中的数据结构），当应用程序发起一个 创建线程 的行为，应用程序就需要通过系统调度，进入到操作系统内核中执行，内核完成PCB的创建之后，再把PCB加入到调度队列中，之后再返回给应用程序。
线程池：从线程池中取线程，把线程放回线程池，都在操作系统内核中实现，这是纯用户态实现的逻辑，用户态的每个进程都是自己执行自己的逻辑，运行较快。
1.2 线程池的优点
- 降低资源消耗：减少线程的创建和销毁带来的性能开销。
- 提高响应速度：当任务来时可以直接使用，不用等待线程创建。
- 可管理性：进行统一的分配，监控，避免大量的线程间互相抢占资源导致的阻塞现象。
二、标准库中的线程池
标准库中我们一般通过工厂模式（不通过new关键字而使用工厂类来创建对象，能够让创建对象变得简单而且更方便的修改对象，属于创建型模式。）的方法来创建线程池：
//此处创建线程池，没有显示的new,而是通过另外Executors类的静态方法newCachedThreadPool来完成
//这种做法叫做工厂模式，对应此处的newCachedThreadPool()方法就是工厂方法。
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();2.1 为何需要使用工厂模式创建线程而不使用常见的 构造方法呢？
因为构造方法常见的提供多种构造实例的方式是：重载，而重载要求 参数的个数/类型 不同。
这就带来了一些限制。
比如：
此处的两个版本的构造方法就无法形成重载。解决这个问题就是使用普通方法来代替构造方法，使普通方法在里面分别构造Point对象，再通过一些其他手段进行设置即可。
线程池单纯的使用也是非常简单，使用submit方法，把任务交给线程池即可，线程池中会有一些线程来负责完成这里的任务。
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
pool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello");
}
});三、模拟实现线程池
我们知道一个线程池可以同时提交N个任务，对应的线程池中有M个线程来负责完成这N个任务。
3.1 为什么N个任务不对应N个线程来完成任务呢?
这时因为如果这样设置的话，由于开发中很多时候任务难度是不同的，如果设置N对N关系的话，可能会出现有的线程很早就完成任务了，然后就在旁边干等着，造成 一个线程干活，多个线程围观的场面，这是很尴尬的。
3.2 如何把N个任务分配给M个线程执行呢？
利用生产者消费者模型即可，首要步骤就是实现一个阻塞队列，每个被提交的任务，都被放入阻塞队列中，让M个线程来取队列中的元素，如果队列为空，M个线程就阻塞等待，如果队列不为空，每个线程就来领取任务，执行完手头上的任务时，再去取下一个任务，直到队列为空，线程继续阻塞等待。
3.3 代码实现线程池：
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
class MyThreadPool {
private BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();
public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
queue.put(runnable);
}
public MyThreadPool(int m) {
//在构造方法中，创建出M个线程，负责完成工作。
for (int i = 0; i < m; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
while(true) {
try {
Runnable runnable = queue.take();
runnable.run();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t.start();
}
}
}
public class Demo25 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int taskId = i;
pool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("执行当前任务"+taskId+"当前线程"+Thread.currentThread().getName());
}
});
}
}
}
运行结果：
四、ThreadPoolExecutor(线程池)的工作流程和拒绝策略
在认识ThreadPoolExecutor之前，我们在简单回顾一下 ExecutorService 和 Executors。
- ExecutorService 表示一个线程的实例
- Executors 是一个工厂类，能够创建出几种不同风格的线程池。
- ExecutorService 的submit 方法能够向线程池中提交若干个任务。
public class Demo26 {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello");
}
});
}
}4.1 Executors 创建线程池的几种方式
- newFixedThreadPool : 创建固定线程数的线程池。
- newCachedThreadPool: 创建线程数且动态增长的线程池。
- newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池。
- newScheduledThreadPool: 设定 延迟时间后执行命令，或者定期执行命令，可以理解为进阶版本的 Timer。
Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装。
4.2 认识ThreadPoolExecutor
相比于Executors ,ThreadPoolExecutor提供了更多可选参数，可以进一步细化线程池行为的设定。
理解上述ThreadPoolExecutor 构造方法的参数
把创建一个线程池想象成开个公司，每个员工相当于一个线程：
- corePoolSize : 正式员工的数量（正式员工，一旦录用，永不辞退）
- maximumPoolSize :正式员工+临时工的数目 （临时工：一段时间不干活，就会被辞退(销毁））。
- KeepAliveTime：临时工允许的空闲时间。
- unit：keepaliveTime 的时间单位，是秒，分钟等。
- workQueue：传递任务的阻塞队列（手动），如果不传，线程池内部会自己创建（传与不传要看具体的业务逻辑，否则会起到画蛇添足的效果。
- threadFactory：创建线程的工厂（本质是一个接口），描述线程是如何创建的，参与了哪些具体的创建线程工作。（程序员可以指定线程的创建策略）
4.3 RejectedExecutionHandler (线程池的拒绝策略)
4.3.1 拒绝策略的应用场景
当线程池的任务队列已经满的时候（工作线程已经忙不过来了），这时还有新的任务被添加进来时候使用的策略。
该策略对于实现”高并发“服务器，具有非常大的意义。
具体有如下四个：
- AbortPolicy()：超过负荷，线程池抛出异常并且终止任务。
- CallerRunsPolicy()：把任务交给添加该任务的线程执行。
- DIscardOldestPolicy(): 丢弃队列中最老的任务。
- DiscardPolicy(): 丢弃新来的任务。
当然在实际开发的过程中，需要根据需求，来决定使用哪些策略来进行处理。
4.3.2 实际开发中，线程池的线程数目，如何确认?设计为几比较合适？(延申)
答案：无法确认。
因为需要从两个方面考虑：
- 主机的CPU配置
- 程序的执行特点（具体是干了什么，执行了CPU密集型的任务，还是IO密集型任务。）
在两者都不确认的情况下是无法直接确认个数的。
代码可能执行CPU密集型任务（做了大量的算术运算和逻辑判断），亦或是IO密集型任务（做了大量的读写网卡/读写硬盘）。
而程序是很难量化两种任务的比例的。
注释:N为CPU核数。
假设是100%计算密集型，可以将线程数目设置为N（CPU数量）+ 2（只是推荐）。多余的2是为了防止线程偶发的缺页中断，或者其他原因导致的任务暂停带来的影响。
假设 任务是10%是CPU密集型，90%是操作IO（不使用CPU）,即使把数目设置为5N，亦或是10N也都是可以的。
当然，以上的核数只是推荐，工作中我们要进行验证，对代码进行性能化测试后（分配不同数量的线程数目），再选择一个最优配置。
4.4 线程池的工作流程
- 当一个新任务加入时，先判断当前线程池中的线程数是否大于核心线程数（corePoolSize），如果结果为false，则新建一个核心线程。
- 如果结果为true，则判断任务队列是否为满，如果结果为false，则把任务添加到任务对垒中等待线程执行即可。
- 如果结果为true，则判断当前线程数量是否超过最大线程数量（maximumPoolSize）,如果结果为false，则新建临时线程执行任务。
- 如果结果为true，执行拒绝策略。
