Java多线程基础-11：工厂模式及代码案例之线程池
JUC是 java.util.concurrent 这个包的简写，其中存放了Java并发框架为协调并发任务所提供的一些工具。本文介绍其中的Executors、ThreadPoolExecutor类。
在Java中，xx池的概念是很常见的，比如之前遇到过的常量池、数据库连接池等等。线程池是一种常用的多线程处理方式，它可以重复利用已创建的线程，从而减少线程的创建和销毁开销，并提高程序的性能。
构造一个新的线程开销有些大，因为这涉及与操作系统的交互。如果你的程序中创建了大量的生命期很短的线程，那么不应该把每个任务映射到一个单独的线程，而应该使用线程池（thread pool）。线程池中包含许多准备运行的线程。为线程池提供一个 Runnable，就会有一个线程调用 run 方法。当run 方法退出时，这个线程不会死亡，而是留在池中准备为下一个请求提供服务。
通俗来说，线程池就是提前把线程准备好。当有任务要执行时，原本我们会直接创建一个线程（从系统申请一个线程的资源），然后让这个线程来执行这个任务。但有了线程池后，创建线程不是直接从系统申请，而是从池子里拿；线程不用了，也是还给池子。
池存在的目的是为了提高效率。线程的创建虽然比进程轻量，但是在频繁创建的情况下，开销也是不可忽略的。
线程池最大的好处就是减少了每次启动、销毁线程的损耗。
其实解决频繁创销线程带来的开销这个问题，可以用线程池，也可以用协程。协程是轻量级的线程，不过Java的标准库还不支持（Java只在第三方库的层面上支持协程）。
目录
一、为什么从线程池中获取线程更高效？
⭐线程池的优点
二、Java标准库中的线程池 ExecutorService
1、Executors执行器类 & 线程池的创建
（1）调用Executors类静态工厂方法创建线程池
（2）总结：在使用连接池时所做的工作
2、工厂模式
3、ThreadPoolExecutor类⭐
4、标准库提供的4种拒绝策略⭐
三、代码实现线程池
1、代码解析
2、实际开发中如何给线程池设置合适的线程数量
四、总结：线程池的执行流程
1. 任务提交
2. 队列处理
3. 线程调度
4. 任务执行
5. 线程回收
6. 线程池关闭
一、为什么从线程池中获取线程更高效？
为什么从池子里拿线程要比从系统创建线程更高效？
这是因为，从人程池拿线程是纯粹的用户态操作；而从系统创建线程，就涉及到用户态和内核态之间的切换（真正的创建是要在内核态完成的）。
用户态、内核态是操作系统中的基本概念。
一个操作系统 = 内核 + 配套的应用程序
内核是操作系统最核心的功能模块的集合，如硬件管理，各种驱动，进程管理，内存管理，文件系统等等。这个内核要给上层的应用程序提供支持。比如在显示器上打印hello的操作： println("hello")，应用程序就要调用系统内核，告诉内核我要进行一个打印字符串操作，内核再通过驱动程序操作显示器，完成上述功能。
然而，同一时刻应用程序可能有很多，但内核始终只有一个。内核又要给这么多程序提供服务，这就导致了有的时候服务不一定那么及时。
想象一个银行的工作场景：
这里的柜台内部就相当于内核态，而大厅相当于用户态。
有个办业务的滑稽大哥和柜台的工作人员说，想办一张银行卡，但却发现没有带身份证复印件。这时，工作人员给了他两个方案：要么自己拿着身份证到大厅的复印机复印，要么把身份证交给工作人员，由工作人员在柜台内的复印机复印。
这两种方式在效率上是有差别的：
1、如果自己去复印，快去快回，复印完之后立即就回来了。
2、如果由工作人员复印，他可能去复印的同时还顺便干点别的，比如喝口水，上个厕所，完成一下上级给的别的任务，和同事唠唠嗑……最终确实也能给滑稽大哥复印，但可能就没那么及时了。
总结起来就是，纯用户态的操作，时间是可控的；但涉及到内核态操作，时间就不太可控了。
⭐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，避免大量的线程间因互相抢占系统资源导致的阻塞现象。
二、Java标准库中的线程池 ExecutorService
ExecutorService是 Java 中用于管理和执行异步任务的接口，它是一个高级的线程池管理工具，继承自 Executor 接口。ExecutorService 接口定义了一组方法，可以用于提交任务、执行任务、关闭线程池等。
执行任务：
- execute(Runnable task)：执行一个 Runnable 任务。
提交任务：可用下面的方法之一将Runnable或 Callable对象提交给ExecutorService，线程池会在方便的时候尽早执行提交的任务。调用submit 时，会得到一个 Future 对象，可用来得到结果或者取消任务：
- Future
submit(Callable task)：提交一个 Callable 任务给线程池执行。 - Future
submit(Runnable task, T result)：提交一个 Runnable 任务给线程池执行。（也生成一个Future，它的 get 方法在完成的时候返回指定的 result 对象。） - Future submit(Runnable task)：返回一个看起来有些奇怪的 Future。可以使用这样一个对象来调用isDone、cancel或isCancelled。但是，get 方法在完成的时候只是简单地返回 null。
使用完一个线程池时，调用：
- shutdown()：启动线程池的关闭序列，平缓地关闭线程池，被关闭的执行器不再接受新的任务，允许已经提交的任务执行完毕。当所有任务都完成时，线程池中的线程死亡。
- shutdownNow()：立即关闭线程池，尝试中断正在执行的任务，取消所有尚未开始的任务。
通过使用 ExecutorService，我们可以将任务提交给线程池，由线程池自动分配和执行任务。线程池会管理线程的创建、复用和销毁，使多线程任务的执行更高效可控。
1、Executors执行器类 & 线程池的创建
执行器(Executors)类有许多静态工厂方法，用来构造线程池。这些方法返回 ExecutorService 接口 或 ScheduledExecutorService 接口的实例，即线程池实例。ExecutorService 也提供了一些提交任务和管理线程池的方法，如submit()、shutdown()等。
（1）调用Executors类静态工厂方法创建线程池
使用 Executors执行器类 可以方便地创建和管理线程池，实现多线程编程以及控制线程的执行方式、数量和生命周期。
以下是创建线程池的代码示例：创建好线程池后，通过pool.submit()方法，向线程池中注册任务。
//创建线程池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
//添加任务到线程池中
pool.submit(() -> {
System.out.println("hello");
});- 使用 Executors.newFixedThreadPool(10) 能创建出固定包含 10 个线程的线程池pool。
- 返回值类型为 ExecutorService，是Java标准库中所提供的线程池接口。
- 通过 ExecutorService.submit() 可以注册一个任务到线程池中。
Executors执行器类提供的各种静态工厂方法可以用于创建不同类型的线程池，常用的方法有：
-
newFixedThreadPool(int nThreads)：创建一个固定大小的线程池，该线程池中最多同时执行nThreads个任务。如果提交的任务数多于空闲线程数，就把未得到服务的任务放到阻塞队列中。当其他任务完成以后再运行这些排队的任务。 -
newCachedThreadPool()：构造一个线程池，会立即执行各个任务，如果有空闲线程可用，就使用现有空闲线程执行任务；如果没有可用的空闲线程，则创建一个新线程。 -
newSingleThreadExecutor()：创建只包含单个线程的线程池。由一个线程顺序地执行所提交的任务(一个接着一个执行)。 -
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建一个固定大小的线程池，该线程池可以安排任务在指定延迟后执行，或定期执行，是进阶版的 Timer。它返回一个ScheduledExecutorService 接口的实例。
图片来自《Java核心技术卷·Ⅰ》
不同方法创建出的线程池具有不同的特性。这些特性决定了当外部线程向线程池提交一个任务后，该线程池将如何调度其中的工作线程来处理这个任务。
值得注意的是：在创建线程池pool时，并非直接new了一个ExecutorService对象，而是通过了Executors类里面的静态方法完成对象的构造，这样的静态方法就是前面提到的静态工厂方法。new操作隐藏在了这个方法背后。这里就涉及到了一种常见的设计模式：工厂模式。
（2）总结：在使用连接池时所做的工作
- 调用Executors类的静态方法newCachedThreadPool或newFixedThreadPool。
- 调用submit 提交 Runnable或Callable 对象。
- 保存好返回的 Future对象，以便得到结果或者取消任务。
- 当不想再提交任何任务时，调用shutdown。
2、工厂模式
工厂模式在创建对象时不再直接new，而是使用一些其他的方法（通常是静态方法）协助我们把对象创建出来。
事实上，工厂模式更多地是用来填构造方法的“坑”的。我们知道，如果同一个类要想提供多种不同的构造对象的方式，就得基于构造方法的重载。但是构造方法是有局限性的。比如下面这种情况：将直角坐标系中的一个点封装成一个类，分别提供两个构造方法，其一是通过横坐标x和纵坐标y来表示这个点的位置，其二是用极坐标来表示这个点的位置。根据不同的构造方式写出的两个构造方法。然而，这两个方法的签名完全相同，它们并不能构成重载。
如果没有遇到这样的问题，那自然而然也就不需要工厂模式。但一旦遇到这样的问题，工厂模式就可以解决。即拿一个普通的static方法来替代。
构造一个工厂类 PointBuilder （一般工厂类的命名都是XxxxBuilder，不过上面的 Executors 是一个例外。）
上面的工厂类中，两个方法的方法名可以自定义。方法名不一样了，上述问题自然迎刃而解。
总而言之，工厂模式（Factory Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种封装对象创建过程的方式。在工厂模式中，我们通过使用工厂类来创建对象，而不是直接在客户端代码中使用 new 关键字实例化对象。
工厂模式的主要目标是将对象的创建和使用分离，通过引入一个工厂类来负责创建对象。这样可以降低客户端代码和具体对象之间的耦合度，使得代码更具灵活性和可维护性。
这里Java中创建线程池也是类似，通过工厂模式来构造出了线程池。
进入 Executors.newFixedThreadPool() 的源码可以看到，确实是在工厂类中new了一个对象：
3、ThreadPoolExecutor类⭐
ThreadPoolExecutor类是 Java 中用于创建和管理线程池的一个强大工具类。它是 ExecutorService 接口的一个实现，提供了更灵活的线程池功能。
ThreadPoolExecutor类是原装的线程池类，上述所有的工厂方法都是对这个类的对象做了进一步封装。用 Executors类创建线程，使用起来更为简单但定制化能力更差；而用ThreadPoolExecutor类创建线程使用更复杂，但定制化能力更强。
打开Java官方文档，找到 java.util.concurrent，再找其下的 ThreadPoolExecutor 类。这里就能看到Java官方对这个类的详细说明。
ThreadPoolExecutor是ExecutorService接口的一个具体实现，它提供了更加灵活的线程池功能。它有多个构造方法：
这些构造方法中都有比较多的参数。我们以最后一个构造方法为例，解读一下该构造方法中的各个参数。
ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) 参数说明：
- corePoolSize：核心线程数，即线程池中始终保持存活的线程数（即使它们处于空闲状态）。
- maximumPoolSize：线程池中允许的最大线程数，包括核心线程和非核心线程。
- keepAliveTime：非核心线程保持存活的时间。非核心线程的空闲时间超过该值后将被终止。
- unit：用于指定空闲时间的时间单位。
- workQueue：用于保存等待执行任务的阻塞队列。线程池要管理很多任务，这些任务也是通过阻塞队列来组织的。程序员可以手动指定给线程池一个队列，次吃程序员就能很方便地控制或获取队列中的信息了。（submit()方法其实就是把任务放到该队列中。）
- threadFactory：工厂类，一个用来创建线程的辅助的类（可以用来自定义线程池中线程的属性、命名、优先级等）。如何定义一个线程工厂？
- handler：线程池的拒绝策略。即：如线程池已经满了，继续向里添加任务，如何拒绝。
在理解时，我们可以把线程池想象成一个公司，公司中有两类员工，一类是正式员工，另一类是实习生或临时工。线程池中核心线程，指的就是正式员工；非核心线程，指的则是实习生。忙的情况下，公司就多招几个实习生干活，就好比线程池中多创建几个非核心线程共同完成任务；等到闲下来了，为了节省资源，公司又将实习生辞退，相应地非核心线程也会被杀死。
corePoolSize就相当于正式员工的数量，而maximumPoolSize相当于正式员工+实习生的数量。
正式员工是签了劳动合同的，不能随意辞退，所以即使核心线程处于空闲状态也不会被销毁；而实习生并没有签劳动合同，只是签了实习合同，是可以随时辞退的。keepAliveTime就规定了实习生线程保持存活的时间。
上面的这些参数中，线程池的拒绝策略是重点。
4、标准库提供的4种拒绝策略⭐
下面是标准库提供的四种拒绝策略。
- ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 直接抛异常：如果线程池满了还在继续加任务，添加操作就直接抛出异常，新任务和老任务都执行不了了。（你一个礼拜周一到周日满课，天天早八到晚十，结果班长还要求你去打扫办公室。你一听这个消息，直接绷不住了，课也不上了，哇得一声嚎啕大哭。）
- ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy 添加任务的线程自己负责执行这个任务，即在哪个线程中写了submit()或execute()等向线程池中添加任务的方法，就由哪个线程来执行它要添加的任务。（你直接怼回去：我才不去呢，要去你自己去。）
- ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 丢弃最老的任务，即阻塞队列队首元素，不执行了，直接删除。（你看了一下课表，决定把最早要上的这一节课鸽了，去打扫。）
- ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 丢弃最新的任务，只做原来的任务。（你还是继续上你的课，打扫办公室这个任务就直接丢弃了。）
注意，这里线程池并没有依赖于阻塞队列的阻塞行为，而是通过额外实现其它逻辑来更好地处理这个场景的操作。就好比班长告诉你你要去打扫卫生，然后他就阻塞住了，他也干不了别的你也干不了别的……最好的情况应当是你立即给出答复。在线程池中，并不希望依赖“满了阻塞”，而更主要是利用“空了阻塞”。
关于各个拒绝策略的具体场景，可以参考这篇文章：
线程池的拒绝策略
三、代码实现线程池
下面代码实现了一个固定线程数的简单的线程池：
import java.util.*;
import java.util.concurrent.BlockingDeque;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
class MyThreadPool{
//阻塞队列用来存放任务
private BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();
//提交任务
public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
queue.put(runnable);
}
//实现一个固定线程数的线程池
public MyThreadPool(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
try {
while (true) {
//取出线程池中的一个任务
Runnable runnable = queue.take();
runnable.run();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t.start();
}
}
}
public class ThreadDemo3 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThreadPool myThreadPool = new MyThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int num = i; //lambda表达式的变量捕获规则
myThreadPool.submit(()->{
System.out.println("hello " + num);
});
}
Thread.sleep(3000);
}
}
运行结果：
打印1000次
1、代码解析
核心的数据结构是BlockingQueue，它用于存放各个可执行的任务（runnable）：
class MyThreadPool{
//阻塞队列用来存放任务
private BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();
//...
} submit()就像生产者一样，给队列中添加任务：
class MyThreadPool{
//向线程池中提交任务
public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
queue.put(runnable);
}
//...
}在线程池内部有一组总数为n的工作线程，它就像消费者一样，不停地从队列中取任务然后执行。
主线程中传入n为10，即线程数固定为10。在线程池构造方法中，通过for循环创建了10个工作线程。这10个工作线程是并发执行，无序调度的。每一个线程的任务都是不断从阻塞队列中获取任务并执行。因此这里为了保证工作线程的活跃，不会在执行完一个任务后立即终止线程，需要给取任务、执行任务的操作加上while(true)。如果没有while(true)，线程执行完一个任务后就会终止，导致线程池中的线程数量不足，无法处理后续的任务（运行结果中只能打印10次）。
class MyThreadPool{
//实现一个固定线程数的线程池
public MyThreadPool(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
try {
while (true) {
//取出线程池中的一个任务
Runnable runnable = queue.take();
runnable.run();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t.start();
}
}
//...
}主线程中，创建出线程池，并通过循环向其中添加1000个任务。这1000个任务先后被添加到阻塞队列中，工作线程从阻塞队列中获取任务并执行。注意，这里num的创建是由于lambda表达式（或匿名内部类）的变量捕获规则，它要求lambda表达式中捕获到的变量必须是final或实际final的（即不能被更改），由于变量 i 被更改了，因此重新创建一个变量来保存 i，代替 i 来使用：
public class ThreadDemo3 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThreadPool myThreadPool = new MyThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int num = i;
myThreadPool.submit(()->{
System.out.println("hello " + num);
});
}
Thread.sleep(3000);
}
}2、实际开发中如何给线程池设置合适的线程数量
实际不同的程序中，线程需要干的活大不相同。一个线程池的线程数量设置成几是比较合适的？这需要结合具体的任务情况，测试而定。
- CPU密集型任务，主要做一些计算工作，要在 CPU 上运行。假设一个极端情况，如果你的线程执行的全是使用CPU资源的任务，那么线程数就不应该超过CPU的核心数（指逻辑核心）。
- IO密集型任务，主要是等待 IO 操作（等待读写硬盘，读写网卡等），不怎么消耗 CPU 资源。如果你的线程全是使用IO，线程数就可以设置很多，远远超出 CPU 核心数。
不过，实践中很少有这么极端的情况，具体要通过测试的方式来确定，选取一个性能上恰当且资源使用上也恰当的这样一个均衡的结果。
测试的大体思路是：运行程序，通过记录时间戳计算一下执行时间（平均值），同时监测资源使用状态。
四、总结：线程池的执行流程
1. 任务提交
当有任务需要执行时，将任务提交给线程池。
2. 队列处理
线程池会将提交的任务放入任务队列中。任务队列是一个缓冲区，用于存储等待执行的任务。不同类型的线程池可能使用不同的任务队列。
3. 线程调度
线程池中的线程会从任务队列中获取任务。线程池会根据配置的核心线程数、最大线程数、线程空闲时间等参数来决定是否创建新的线程，或者复用空闲的线程来执行任务。
4. 任务执行
线程池中的工作线程会执行从任务队列中获取的任务。每个线程执行一个任务后，会继续从任务队列中获取下一个任务，直到线程池关闭或者没有更多的任务可以执行。
5. 线程回收
如果线程池中的线程空闲时间超过设定的时间（线程空闲时间设置的过程中），则线程会被回收，以减少资源消耗。但是，核心线程不会被回收，线程池会保持至少核心线程数的线程处于运行状态。
6. 线程池关闭
当不再需要线程池时，应该显式地关闭线程池，释放相关资源。关闭线程池后，线程池将不再接受新的任务，并且会等待所有已提交的任务执行完毕。
总结来说，线程池的执行流程涉及任务提交、队列处理、线程调度、任务执行和线程回收等步骤。通过线程池的管理，我们可以更好地控制线程的创建和销毁，提高程序的性能和效率，并避免因为频繁创建和销毁线程而导致的资源浪费和性能下降。