【Java多线程进阶】线程池详解

前言

在大量的并发任务中，频繁的创建和销毁线程对系统的开销是非常大的，多个任务执行的速度也是非常慢的。因此，设计出一个好的 Java 线程池就可以减少系统的开销、使程序运行速度提升。在这篇博文中，我将介绍 Java 线程池概念以及使用方法的详解。

目录

1. 什么是 Java 线程池？

2. Java标准库中的线程池

2.1 工厂模式

2.2 创建线程池的方式

3. ThreadPoolExecutor类

3.1 线程池的拒绝策略

4. 模拟实现线程池

1. 什么是 Java 线程池？

线程池是一种管理和重用线程的机制。使用线程池可以减少创建线程的数量，提高程序效率，并且允许任务在处理非常忙碌的时候等待处理。

首先，我们要知道一点，虽然线程的创建相对于进程来说是微不足道的，但频繁的创建线程对系统的开销也是不小的。因此，我们可以设计一个线程池来缓解这个开销。

在 Java 中创建一个线程池，这样我们后续在创建线程时，直接在这个线程池里面拿，线程不用了也是还给这个线程池即可。从线程池里面拿线程比从系统中创建线程高效性其原因为：

• 从线程池拿线程，相当于用户态操作
• 从系统中创建线程，涉及到用户态和内核态之间的切换，真正的创建是在内核态完成的

解释用户态、内核态：

用户态与内核态是操作系统的基本概念，一个操作系统等于 内核 + 应用程序。在 Java 中编写一句 println("hello") 这个操作 应用程序 会告诉 内核 ：“我要进行一个字符串打印”。然后内核再通过驱动程序操控显示器，完成打印。

简单的一句 println("hello") 是无伤大雅的，但同一时刻 应用程序 传给 内核 很多数据，内核只有一个。因此，不能及时的给这么多数据提供服务。

用户态的cpu权限受限，只能访问到自己内存中的数据，无法访问其他资源。这样，在执行操作时只向创建好的内存申请即可，能及时的给这些数据提供服务。

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举个例子：张三去某银行取钱，但是他没有带身份证复印件。此时他有两种选择，自己去银行大厅处自行打印、让柜台服务员帮他打印。张三自己去大厅打印复印件是非常很快的（用户态操作），但让柜台工作人员打印的话，工作人员乘机倒杯咖啡摸会鱼此时就不能快速的打印复印件（用户态与内核态的切换）。

因此，用户态操作是可控的，而涉及到内核态就不可控了。所以，我们创建设计线程池就能保证大多数操作都是用户态方式下进行的。

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2. Java标准库中的线程池

Java 中最常见的线程池创建是使用 Executors.newFixedThreadPool() 能够创建固定的线程数，() 内填你需要线程数。

它返回类型为 ExecutorService（执行服务），通过 ExecutorService下的 submit 方法就可以注册一个任务到线程池中，submit 是一种固定了线程池的线程数量的创建方法。

创建固定线程数的线程，如以下代码：

public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        pool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Hello pool");
            }
        });
    }

运行后打印：

以上代码中，创建固定线程数量为 1 的线程池，并调用 submit 方法添加 run 任务到线程池中。代码比较简单，唯一需要注意的是 Executors.newFixedThreadPool() 是一种通过 ThreadPoolExecutor 类里面的静态方法来完成对象构造的，利用的是工厂模式。

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2.1 工厂模式

如果想要多种不同的构造方法，这样的操作必须要在重载的情况下完成，但重载有坑（构造方法不能被重载）。因此在工厂模式下就能避免这个坑，它提供一个工厂类，工厂类里面有不同的方法来完成不同操作。

举例子：一个点有两种构造方式，1是直接通过横、纵坐标构造点，2是通过极坐标的方式来求：

 直接通过坐标的方式来构造点，能写出以下代码：

class Point {
    public Point(double x,double y) {
        //代码
    }
    public Point(double r,double a) {
        //代码
    }
}

通过坐标的形式构造点，难免会用到重载， 类里面使用构造方法进行重载的话就会造成 Point 方法的 签名 相同，不能正常的编译。

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通过工厂模式：

class PointBuilder {
    public static Point makePointXY(double x,double y){
        
    }
    public static Point makePointRA(double r,double a){
        
    }
}

如果按照工厂模式，在工厂类里面实现一些不同名的方法，这样就能避免在构造方法重载造成的方法签名相同错误，并且我们返回的类型始终是 Point 。

在线程池中的 Executors.newFixedThreadPool() 方法就是 Executors  对 ThreadPoolExecutor 类里面的构造方法进行了封装，装好的方法一共有四个，具体请看下方讲解。

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2.2 创建线程池的方式

Executors 创建线程池的几种方法：

• newFiexedThreadPool：创建固定线程数的线程池
• newCachedThreadPool：创建线程数目动态增长的线程池.
• 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. 是进阶版的 Timer.

Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装。ThreadPoolExecutor 类底层的方法有很多，底层的构造方法就有四个，构造方法里面的参数也是参差不齐。

因此，Java 标准库就把 ThreadPoolExecutor 类封装为 Executors，利用的就是工厂模式。这样我们就能直接调用一些方法来创建线程池、添加任务。

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3. ThreadPoolExecutor 类

工欲善其事，必先磨其器。我们可以直接使用 Executors 直接创建线程池，但不能不知道 Executors 的底层是什么。上面讲到了，Executors 就是 ThreadPooExecutor 类封装而来的。

因此我们可以通过 jdk api 帮助手册 来观察 ThreadPoolExecutor 类的组成原理。找到 java.util.concurrent 包底下的 ThreadPoolExecutor 即可看到下图四个方法。

我们可以看到一共有四个不同参数的构造方法，而且参数非常的多，因此我们搞定参数最多的方法，其余的就都认识了，请看下方讲解。 

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3.1 ThreadPoolExcutor 构造方法参数详解

上图四个方法，我们直接来看第四行最长的方法中的参数。

七个参数的讲解如下： 

corPoolSize：核心线程，maximumPoolSize：最大线程。

举例，我们把 corPoolSize（核心线程）比 作正式工，maximumPoolSize（最大线程）比作 实习生 + 正式工。在工作比较多的时候，公司会多创建一些“临时线程”（多招一些实习生）。如果工作量少了，我们就会把临时的线程销毁（辞去实习生，保留正式工）。

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keepAliveTime：保持存活时间。

当公司的任务是一阵一阵的，假如一个星期忙三天闲两天又开始忙。这时不会立马辞去实习生，等到很长一段时间不忙了才辞掉实习生（销毁临时线程）。这就是 keepAliveTime 的用处，不会立马销毁临时数据。

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TimeUnit unit：线程的单位，类似于ms、s、h、day等。

BlockingQueue workQueue：阻塞队列，用来存储线程池里面的多个任务。

ThreadFactory threadFactory：工厂模式，创建线程的辅助类。

RejectedExecutionHandler handler：线程池的拒绝策略，当线程池满了，如何进行拒绝。在下方我会详细介绍。

通过上方的了解，如果我们直接使用 ThreadPoolExecutor 类来创建线程池得多麻烦，光是参数就有七个，因此 Java 中的 Executors 帮我们封装好了直接用就行。

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代码案例，使用 ThreadPoolExcutor 类求斐波那契数列的前十个数：

public class FibonacciThreadPool {
    // 定义斐波那契数列的计算函数
    public static int fibonacci(int n) {
        if (n <= 1) {
            return n;
        }
        return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个线程池，最多同时执行3个线程
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 3, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue());
        // 提交10个任务
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            final int num = i;
            executor.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 计算斐波那契数列第" + num + "个数： " + fibonacci(num));
            });
        }
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

运行后打印：

上述代码，实例化 ThreadPoolExcutor 类对象用了五个参数，用到的是参数最少的 ThreadPoolExcutor 构造方法。

 至于这些参数含义，在上方有详细的讲解。

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3.2 线程池的拒绝策略

在 jdk 文档中，拒绝策略有四个分别为：AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardOldestPolicy、DiscardPolicy。

 AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardOldestPolicy、DiscardPolicy四个拒绝策略解释如下：

• 被拒绝的任务的处理程序，抛出一个 RejectedExecutionException 。

• 一个被拒绝的任务的处理程序，直接在 execute方法的调用线程中运行被拒绝的任务，除非执行程序已被关闭，否则这个任务被丢弃。

• 被拒绝的任务的处理程序，丢弃最旧的未处理请求，然后重试 execute ，除非执行程序被关闭，在这种情况下，任务被丢弃。

• 被拒绝的任务的处理程序静默地丢弃被拒绝的任务。

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通俗的来讲：

• AbortPolicy 表示线程池满了，如果继续添加任务，会直接抛出一个 RejectedExecutionException 的异常。
• CallerRunsPolicy 表示添加的线程自己负责执行这个任务，哪个线程添加的任务，哪个线程执行。
• DiscardOldestPolicy 表示丢弃最老的任务，也就是最先入队列的任务。
• DiscardPolicy 表示丢弃最新的任务，因为队列无法添加新任务了，因此抛弃最新的任务。

模拟实现线程池的拒绝操作：

public static void main(String[] args) {
        int corePoolSize = 10;//核心线程
        int maximumPoolSize = 15;//最大线程数（核心线程+临时线程）
        long keepAliveTime = 5;//线程的存货时间

        //自定义一个阻塞队列来存放线程
        BlockingQueue workQueue = new LinkedBlockingDeque(10);
        //当线程池满了，则抛出一个异常
        RejectedExecutionHandler handler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();
        //自定义一个线程池
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(
                corePoolSize,
                maximumPoolSize,
                keepAliveTime,
                TimeUnit.SECONDS,
                workQueue,
                handler
        );
        //循环10次
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
    }

运行后打印：

以上打印，由于线程的抢占式执行导致输出没有按顺序，但最终任务还是完成了。 当我把上述代码中的 for 循环设置为 100 次时则会抛出异常：

这个异常就是 线程池拒绝策略 中的 AbortPolicy，线程池已满，无法再继续添加线程。

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4. 模拟实现线程池

实现线程池：

• 需要一个阻塞队列：用来存放任务
• 需要自创一个 submit 方法：用来往阻塞队列里面添加任务
• 一个存放线程数的构造方法：用来接受线程池所需要创建的线程个数

设计好以上的几个方法就能自行模拟实现一个线程池，相信在理解了上方中线程池的使用以及底层原理，就能很好理解以下代码：

class MyThreadPool {
    //自创建一个阻塞队列，用来存放任务
    BlockingQueue queue = new LinkedBlockingDeque<>();

    //自创一个submit方法，用来往阻塞队列里面存数据
    public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
        queue.put(runnable);
    }
    //通过构造方法，来添加线程数量
    public MyThreadPool(int n){
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                Thread thread = new Thread(() -> {
                    try {
                        while (true) {
                            Runnable runnable = queue.take();
                            runnable.run();
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                });
                thread.start();
        }
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //实例化一个myThreadPool对象
        MyThreadPool myThreadPool = new MyThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            int num = i;
            myThreadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("执行: " + num);
                }
            });
        }
    }
}

运行后打印：

以上代码输出了 1000 个数据，我直截取了开头几个数据。我们发现打印的数据与添加数据的顺序不同，其原因也是线程抢占资源导致的，但最终的任务”输出数据“能够正常的完成。

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创建线程池的方式有哪些？

• 使用 Executors 工厂类创建，创建方式比较简单，但定制能力有限。
• 使用 ThreadPoolExecutor 创建，创建方式比较复杂，但定制能力强。

LinkeadBlockingQueue在线程池中处于什么地位？

LinkeadBlockingQueue表示线程池的任务队列，用户通过 submit/execute 向任务队列中添加任务，再由线程池中的工作线程来执行任务。

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‍作者：一只爱打拳的程序猿，Java领域新星创作者，阿里云社区优质创作者、专家博主。

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