Java 线程池的使用

一. 简介

在实际开发中，我们有时会需要多线程并发执行一些任务，如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。而线程池的作用就是可以对线程进行复用，来提高效率。在 Java 5 之后，并发编程引入了一堆新的启动、调度和管理线程的API。Executor 框架便是 Java 5 中引入的，其内部使用了线程池机制，它在 java.util.cocurrent 包下，通过该框架来控制线程的启动、执行和关闭，可以简化并发编程的操作。

Executor 框架的类的继承结构：

image.png

二. ThreadPoolExecutor 介绍

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 类是线程池中最核心的一个类，因此如果要透彻地了解Java中的线程池，必须先了解这个类。这个类有四个构造方法

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue workQueue);

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue workQueue,ThreadFactory threadFactory);

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue workQueue,RejectedExecutionHandler handler);

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);

实际上，前三个构造方法最后都是调用的第四个方法，下面说一下第四个构造方法各个参数的含义：

corePoolSize：核心池的大小，这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
maximumPoolSize：线程池最大线程数，这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；
unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：
workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，这个参数的选择也很重要，会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：

ArrayBlockingQueue;     // 基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；
LinkedBlockingQueue;    // 基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；
SynchronousQueue;       // 这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy;       // 丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy;     // 也是丢弃任务，但是不抛出异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy;     // 丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy;        // 由调用线程处理该任务

在ThreadPoolExecutor类中有几个非常重要的方法：

execute()
submit()
shutdown()
shutdownNow()

execute() 方法实际上是Executor中声明的方法，在ThreadPoolExecutor进行了具体的实现，这个方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。

submit() 方法是在ExecutorService中声明的方法，在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现，在ThreadPoolExecutor中并没有对其进行重写，这个方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果，去看submit()方法的实现，会发现它实际上还是调用的execute()方法，只不过它利用了Future来获取任务执行结果。

shutdown() 和shutdownNow() 是用来关闭线程池的。

还有很多其他的方法：

比如：getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount()等获取与线程池相关属性的方法，可以自行查阅API。

三. 线程池的使用

我们在使用线程池的时候，要先获得一个ThreadPoolExecutor 的对象，我们可以直接通过上面提到的构造方法直接new 一个，不过Java 推荐使用Executors 的工厂方法创建线程池，Executors 提供了以下几种创建线程池的方法：

newCachedThreadPool()

缓存型池子，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就 reuse 如果没有，就建一个新的线程加入池中
缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务因此在一些面向连接的 daemon 型 SERVER 中用得不多。但对于生存期短的异步任务，它是 Executor 的首选。
能 reuse 的线程，必须是 timeout IDLE 内的池中线程，缺省 timeout 是 60s,超过这个 IDLE 时长，线程实例将被终止及移出池。

注意：放入 CachedThreadPool 的线程不必担心其结束，超过 TIMEOUT 不活动，其会自动被终止。

newFixedThreadPool(int)

newFixedThreadPool 与 cacheThreadPool 差不多，也是能 reuse 就用，但不能随时建新的线程。
其独特之处:任意时间点，最多只能有固定数目的活动线程存在，此时如果有新的线程要建立，只能放在另外的队列中等待，直到当前的线程中某个线程终止直接被移出池子。
和 cacheThreadPool 不同，FixedThreadPool 没有 IDLE 机制（可能也有，但既然文档没提，肯定非常长，类似依赖上层的 TCP 或 UDP IDLE 机制之类的），所以 FixedThreadPool 多数针对一些很稳定很固定的正规并发线程，多用于服务器。
从方法的源代码看，cache池和fixed 池调用的是同一个底层池，只不过参数不同:
- fixed 池线程数固定，并且是0秒IDLE（无IDLE）。
- cache 池线程数支持 0-Integer.MAX_VALUE(显然完全没考虑主机的资源承受能力），60 秒 IDLE 。

newScheduledThreadPool(int)

调度型线程池
这个池子里的线程可以按 schedule 依次 delay 执行，或周期执行

SingleThreadExecutor()

单例线程，任意时间池中只能有一个线程
用的是和 cache 池和 fixed 池相同的底层池，但线程数目是 1, 0 秒 IDLE（无 IDLE）

一般来说，CachedTheadPool 在程序执行过程中通常会创建与所需数量相同的线程，然后在它回收旧线程时停止创建新线程，因此它是合理的 Executor 的首选，只有当这种方式会引发问题时（比如需要大量长时间面向连接的线程时），才需要考虑用 FixedThreadPool。
（该段话摘自《Thinking in Java》第四版）

使用示例：

1）调用execute 方法

execute 方法执行一个无返回值的任务，接收一个Runnable 参数

public class TestCachedThreadPool{   
    public static void main(String[] args){   
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();   
//      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);  
//      ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();  
        for (int i = 0; i < 5; i++){   
            executorService.execute(new TestRunnable());   
            System.out.println("************* a" + i + " *************");   
        }   
        executorService.shutdown();   
    }   
}   

class TestRunnable implements Runnable{   
    public void run(){   
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程被调用了。");   
    }   
}

执行结果如下

image.png

2）调用submit 方法

submit 方法有两种重载，即 submit(Callable callable), submit(Runnable run, T result) ，用于执行一个有返回值的任务

public class CallableDemo{   
    public static void main(String[] args){   
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();   
        List> resultList = new ArrayList<>();   

        //创建10个任务并执行   
        for (int i = 0; i < 10; i++){   
            //使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中   
            Future future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));   
            //将任务执行结果存储到List中   
            resultList.add(future);   
        }   

        //遍历任务的结果   
        for (Future fs : resultList){   
                        try{   
                    while(!fs.isDone());                            //Future返回如果没有完成，则一直循环等待，直到Future返回完成  
                    System.out.println(fs.get());     //打印各个线程（任务）执行的结果   
                }catch(InterruptedException e){   
                    e.printStackTrace();   
                }catch(ExecutionException e){   
                    e.printStackTrace();   
                }finally{   
                    //启动一次顺序关闭，执行以前提交的任务，但不接受新任务  
                    executorService.shutdown();   
                }   
        }   
    }   
}   

class TaskWithResult implements Callable{   
    private int id;   

    public TaskWithResult(int id){   
        this.id = id;   
    }   

    /**  
     * 任务的具体过程，一旦任务传给ExecutorService的submit方法， 
     * 则该方法自动在一个线程上执行 
     */   
    public String call() throws Exception {  
        System.out.println("call()方法被自动调用！！！    " + Thread.currentThread().getName());   
        //该返回结果将被Future的get方法得到  
        return "call()方法被自动调用，任务返回的结果是：" + id + "    " + Thread.currentThread().getName();   
    }   
}

执行结果如下：

image.png

在本例中使用到了Future 类，关于Future 的使用，将在新的篇章展开。

合理设置线程池大小

如果不使用Executors 提供的工厂方法，而是自己创建线程池，要注意合理的设置线程池的大小

一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：

如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 N_CPU+1
如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*N_CPU

当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。

四. 线程池的实现原理

可以参考这篇文章 https://blog.csdn.net/u011531613/article/details/61921473

Java 线程池的使用

一. 简介

二. ThreadPoolExecutor 介绍

三. 线程池的使用

四. 线程池的实现原理

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