Java池化思想之一：线程池（Thread Pool）
在 Java 中，池化结构（Pooling Structure）是一种常用的设计模式，用于管理和重复使用有限的资源。这种结构通过预先创建一定数量的资源对象（如线程、数据库连接、对象等），然后将这些对象集中管理并分配给请求者使用。在使用完毕后，这些资源对象不会被销毁，而是返回到池中，供下一个请求者再次使用。
池化结构在 Java 中广泛应用于各类需要频繁创建和销毁资源的场景中。通过重复使用资源对象，池化结构能够有效提高资源的使用率、控制资源的数量，并提升系统的性能和稳定性。在开发中，合理设计和配置池化结构，对系统的高效运行至关重要。
池化结构的作用
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提高资源使用率：
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池化结构通过重复使用资源对象，避免了频繁的资源创建和销毁操作。这不仅减少了资源分配和释放的开销，还提高了资源的使用效率。例如，通过线程池可以复用线程，从而避免了频繁创建和销毁线程带来的性能损耗。
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控制资源的数量：
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池化结构通常允许设置资源对象的最大数量，从而避免系统中出现过多的资源实例，导致资源枯竭或性能下降。例如，数据库连接池通过限制连接的最大数量，防止数据库因过多连接而崩溃。
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提高系统性能和稳定性：
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由于资源的复用，池化结构能够显著减少资源分配的时间，从而提高系统的响应速度。此外，池化结构还可以通过合理配置池的大小和参数，防止系统资源被过度消耗，提高系统的稳定性。
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简化资源管理：
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池化结构通常包含资源的管理逻辑，如资源的初始化、复用、回收、超时处理等。通过统一的管理方式，池化结构可以简化资源的管理工作，减少开发人员的负担。
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线程池（Thread Pool）
线程池（Thread Pool）是 Java 中一种非常重要的多线程并发编程机制。通过使用线程池，你可以更有效地管理和重用线程资源，而不是每次执行任务时都创建和销毁线程。
线程池的工作原理
线程池的基本思想是：预先创建一定数量的线程，这些线程处于待命状态，等待执行任务。当有任务提交到线程池时，线程池将任务分配给空闲的线程去执行。如果所有线程都在执行任务，线程池可以根据配置采取不同的策略，比如等待、拒绝任务或创建新的线程等。
线程池的主要优势
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减少资源开销：创建和销毁线程是有代价的，特别是在高并发环境下。通过线程池，可以重用已创建的线程，减少资源开销。
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提高响应速度：任务到达时无需等待线程创建，可以直接执行任务。
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方便管理：线程池可以统一管理线程，设置线程的最大并发数量，避免系统因线程过多而资源耗尽。
Java 中的线程池实现
Java 中 java.util.concurrent 包提供了 Executor 框架，方便地创建和管理线程池。常用的线程池类有：
1. 固定大小线程池 (FixedThreadPool)
Executors.newFixedThreadPool(int nThreads) 创建一个固定大小的线程池，线程池中的线程数量始终不变。
用途：
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固定大小线程池创建一个包含固定数量线程的线程池。这些线程在整个应用程序的生命周期中会一直存在，直到线程池被显式关闭。
特点：
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在这个线程池中，线程数是固定的，即使有大量任务需要执行，线程池也只会使用固定数量的线程来处理任务。当所有线程都在忙碌时，其他任务会进入队列等待执行。
适用场景：
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适用于需要控制并发任务数量的场景，避免系统因资源消耗过多而变得不稳定。例如，服务器应用中控制同时处理的请求数量。
示例代码：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class FixedThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个固定大小为3的线程池
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交5个任务到线程池
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
final int taskId = i;
fixedThreadPool.execute(() -> {
System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000); // 模拟任务执行时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskId + " completed.");
});
}
// 关闭线程池
fixedThreadPool.shutdown();
}
}
作用：
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适用于有固定数量线程的场景，限制并发线程的数量。
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常用于需要控制并发任务数量的应用场景。
终端输出：
Task 1 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 is running on thread pool-1-thread-2 Task 3 is running on thread pool-1-thread-3 Task 1 completed. Task 2 completed. Task 3 completed. Task 4 is running on thread pool-1-thread-1 Task 5 is running on thread pool-1-thread-2 Task 4 completed. Task 5 completed.
说明：线程池中有3个线程，先执行前3个任务，前3个任务完成后，线程池继续执行后续的任务。
2. 缓存线程池 (CachedThreadPool)
Executors.newCachedThreadPool() 创建一个可缓存的线程池，线程池大小不固定，可以根据需求动态创建新线程。适用于大量短生命周期的任务。
用途：
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缓存线程池是一个大小不固定的线程池，它可以根据需要动态创建新的线程。当有新的任务到达时，如果有空闲线程则使用空闲线程执行任务，如果没有则创建新线程。
特点：
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线程池中线程数几乎不受限制，通常适合处理大量短期的小任务。缓存线程池在执行完任务后会回收线程并将其存入池中，当池中线程空闲超过一定时间（通常是60秒）后，线程会被终止并从池中移除。
适用场景：
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适用于负载波动较大、任务执行时间短的场景，例如处理并发数量不确定的即时任务请求。它能有效地应对瞬时的大量请求。
示例代码：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class CachedThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个缓存线程池
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
// 提交5个任务到线程池
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
final int taskId = i;
cachedThreadPool.execute(() -> {
System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000); // 模拟任务执行时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskId + " completed.");
});
}
// 关闭线程池
cachedThreadPool.shutdown();
}
}
作用：
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创建一个可根据需要动态增加线程数量的线程池。
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适用于执行大量短期任务或负载变化较大的场景。
终端输出：
Task 1 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 is running on thread pool-1-thread-2 Task 3 is running on thread pool-1-thread-3 Task 4 is running on thread pool-1-thread-4 Task 5 is running on thread pool-1-thread-5 Task 1 completed. Task 2 completed. Task 3 completed. Task 4 completed. Task 5 completed.
说明：由于缓存线程池会根据需要创建新线程，因此所有任务几乎是同时启动并执行的
3. 单线程池 (SingleThreadExecutor)
Executors.newSingleThreadExecutor() 创建一个单线程的线程池，这个线程池中只有一个线程在工作，所有任务被保证按顺序执行。
用途：
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单线程池是一个只有一个工作线程的线程池。这个线程池保证所有任务按提交顺序逐一执行，在同一时刻最多只有一个任务在执行。
特点：
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这个线程池确保所有任务按照顺序执行，任务之间不会有并发问题。即使线程因某种原因意外终止，也会有一个新的线程替代它继续执行后续任务。
适用场景：
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适用于需要保证任务顺序执行的场景，例如需要顺序写入文件或顺序处理网络请求等应用场景。
示例代码：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class SingleThreadExecutorExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个单线程的线程池
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
// 提交5个任务到线程池
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
final int taskId = i;
singleThreadExecutor.execute(() -> {
System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000); // 模拟任务执行时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskId + " completed.");
});
}
// 关闭线程池
singleThreadExecutor.shutdown();
}
}
作用：
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用于保证任务按顺序执行的场景，适用于不需要并发、但要顺序执行任务的应用。
终端输出：
Task 1 is running on thread pool-1-thread-1 Task 1 completed. Task 2 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 completed. Task 3 is running on thread pool-1-thread-1 Task 3 completed. Task 4 is running on thread pool-1-thread-1 Task 4 completed. Task 5 is running on thread pool-1-thread-1 Task 5 completed.
说明：单线程池中只有一个线程，因此任务是按顺序依次执行的。
4. 定时线程池 (ScheduledThreadPool)
Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize) 创建一个定时执行或周期性执行任务的线程池。
用途：
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定时线程池用于定时执行任务或周期性地执行任务。它允许任务在指定延迟后执行或以固定的时间间隔重复执行。
特点：
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定时线程池在延迟或周期性任务处理方面非常有效。它在初始化时创建固定数量的线程，这些线程可用于处理定时或周期任务。它能很好地支持基于时间的任务调度，如定时报告生成、定期清理任务等。
适用场景：
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适用于需要定期或定时执行任务的场景，例如定时备份、定期发送邮件通知、或定时清理过期数据等。
示例代码：
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ScheduledThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个定时线程池，核心线程数为2
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
// 提交定时任务，延迟3秒执行
scheduledThreadPool.schedule(() -> {
System.out.println("Task 1 is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
}, 3, TimeUnit.SECONDS);
// 提交周期性任务，延迟1秒后每2秒执行一次
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(() -> {
System.out.println("Task 2 is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
}, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
// 10秒后关闭线程池
scheduledThreadPool.schedule(() -> scheduledThreadPool.shutdown(), 10, TimeUnit.SECONDS);
}
}
作用：
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适用于需要延时执行或周期性执行任务的场景，如定时任务调度。
终端输出：
Task 2 is running on thread pool-1-thread-1 Task 1 is running on thread pool-1-thread-2 Task 2 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 is running on thread pool-1-thread-1
说明：第一个任务延迟3秒执行，第二个任务延迟1秒后每2秒执行一次，持续到线程池关闭。
5. 自定义线程池 (ThreadPoolExecutor)
用途：
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自定义线程池提供了对线程池参数的完全控制。开发者可以根据应用的具体需求定制线程池的行为，包括核心线程数、最大线程数、线程空闲时间、任务队列类型等。
特点：
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自定义线程池是最灵活的线程池实现，允许开发者设置线程池的所有参数。例如，可以定义核心线程数以处理常见负载，设置最大线程数以应对突发流量，并配置任务队列来处理排队任务。它还可以配置线程的存活时间，以便在任务完成后适时释放资源。
适用场景：
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适用于复杂应用场景下的精细化资源管理。例如，在一个高性能服务器中，可能需要精确控制线程的创建、销毁以及任务调度策略，从而优化资源利用率并保证系统稳定性。
示例代码：
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class CustomThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个自定义的线程池，核心线程数为2，最大线程数为4，队列大小为2
ThreadPoolExecutor customThreadPool = new ThreadPoolExecutor(
2, 4, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(2));
// 提交6个任务到线程池
for (int i = 1; i <= 6; i++) {
final int taskId = i;
customThreadPool.execute(() -> {
System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(2000); // 模拟任务执行时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskId + " completed.");
});
}
// 关闭线程池
customThreadPool.shutdown();
}
}
作用：
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提供了完全的配置灵活性，允许根据应用需求自定义线程池的参数。
终端输出：
Task 1 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 is running on thread pool-1-thread-2 Task 3 is running on thread pool-1-thread-3 Task 4 is running on thread pool-1-thread-4 Task 1 completed. Task 5 is running on thread pool-1-thread-1 Task 2 completed. Task 6 is running on thread pool-1-thread-2 Task 3 completed. Task 4 completed. Task 5 completed. Task 6 completed.
说明：前两个任务使用核心线程执行，任务3和任务4进入队列，后续两个任务启动新的线程执行。
线程池的核心参数
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Java线程池提供了一些常见的参数，用于配置线程池的行为和性能
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corePoolSize（核心池大小）：标识线程池中核心线程的数量，核心线程会一致存活，即使没有任务需要执行，默认情况下，核心池的大小为0
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maximumPoolSize（最大池大小）：标识线程池中最大线程的数量，当工作队列已满并且池中的线程数小于最大池大小的时候，线程池会创建新的线程来处理任务，直到达到最大池的大小。默认情况下，最大池大小为Inter.MAX_VALUE。
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keepAliveTime（线程空闲时间）：表示当线程池中的线程数量超过核心吃大小的时候，空闲线程的存活时间，当前程空闲时间超过keepAlive时，多余的线程会被销毁，直到线程池中的线程数等于核心池大小。默认情况下，空闲线程会被立即销毁
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unit（事件单位）：用于指定keepAliveTime的事件单位，可以是纳秒（TimeUnit.NANOSECONDS）、微秒(TimeUnit.MICROSECONDS）、亳秒（TimeUnit.MILLISECONDS）、秒（TimeUnit.SECONDS）、分钟(TimeUnit.MINUTES）、小时（TimeUnit.HOURS）、天（TimeUnit.DAYS）
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workQueue（工作队列）：用于存储等待执行的任务。Java提供了多种类型的工作队列，如SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。默认情况下，使用无界队列LinkedBlockingQueue
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threadFactory（线程工厂）：用于创建新线程，可以自定义线程工厂来指定线程的命名规则，优先级等
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handler（拒绝策略）：用于处理线程池队列已满且无法接收新任务时候的情况。java提供了几种内置的拒绝策略，如AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardPolicy、DiscardOldestPolicy。也，也可以自定义
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线程池的生命周期管理
线程池具有明确的生命周期管理方法，可以在不同状态下对其进行操作：
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shutdown()：启动线程池的有序关闭流程，已提交的任务会继续执行，但不再接受新任务。 -
shutdownNow()：尝试停止所有正在执行的任务，并返回等待执行的任务列表。 -
awaitTermination()：在关闭线程池后，等待所有任务完成或超时。
管理好线程池的生命周期可以防止资源泄漏，确保系统在关闭时能够正确地释放资源。
线程池的拒绝策略
当线程池中的任务数量达到最大值，并且任务队列已满时，线程池需要决定如何处理新的任务。Java 提供了四种默认的拒绝策略：
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AbortPolicy（默认）：直接抛出RejectedExecutionException异常。 -
CallerRunsPolicy：由提交任务的线程执行该任务。 -
DiscardPolicy：直接丢弃任务，不给予任何处理。 -
DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最早的任务，然后尝试重新提交当前任务。
线程池化的阻塞队列
线程池化的阻塞队列（Thread Pool with Blocking Queue）是线程池与阻塞队列的结合，常用于生产者-消费者模式中。阻塞队列用于存储等待执行的任务，而线程池中的线程则不断从队列中取出任务执行。
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ArrayBlockingQueue：数组阻塞队列-
任务存储在一个固定大小的数组中。
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ArrayBlockingQueue：-
特性
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基于数组的有界阻塞队列，队列长度固定，支持公平和非公平锁机制。
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一旦队列达到最大容量，生产者线程将被阻塞，直到有任务被消费。
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适用场景
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适合于任务数量有明确上限的场景，防止因过多任务堆积导致内存溢出。
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LinkedBlockingQueue：链表阻塞队列-
任务以链表的形式存储，可以动态扩展。
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特性：
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基于链表的阻塞队列，默认是无界的，但可以设置上限。
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因为没有固定大小的数组限制，所以任务存储能力更强，且吞吐量较高。
适用场景：
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适合任务流量较大且不希望丢失任务的场景，可以提供更高的并发吞吐量。
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SynchronousQueue：同步队列-
任务直接从生产者传递到消费者，不会存储任务。
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特性：
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没有任何内部容量的阻塞队列，不能存储任务，生产者线程提交的任务必须直接交给消费者线程处理。
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如果没有空闲线程来接收任务，生产者线程会被阻塞。
适用场景：
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适合每个任务必须立即处理的场景，或在需要通过增加线程来应对高负载的情况下使用。
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PriorityBlockingQueue：优先级阻塞队列-
任务根据优先级排序，优先级高的任务先处理。
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特性：
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一个无界的优先级队列，任务根据优先级而不是插入顺序进行排序。
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当有多个任务时，高优先级的任务会被优先处理。
适用场景：
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适合需要按优先级处理任务的场景，例如调度系统或需要按重要性排序的任务处理。
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DelayQueue：延迟队列-
任务需要等待一段时间后才能执行，常用于定时任务。
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特性：
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基于优先级队列的特殊队列，任务只有在其延迟时间到达之后才能被取出执行。
适用场景：
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适合需要延迟执行任务的场景，例如定时任务调度、延迟消息队列等。
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线程池中的阻塞队列选择
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ArrayBlockingQueuevsLinkedBlockingQueue：-
ArrayBlockingQueue适合固定任务数量且需要限制资源使用的情况； -
LinkedBlockingQueue则更适合任务数量不确定且需要高并发处理的情况。
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SynchronousQueue的使用通常会导致线程池以最大并发来执行任务，因为它不存储任务，这在需要快速处理大量短任务时非常有效。 -
PriorityBlockingQueue和DelayQueue则更为特殊，适用于需要优先级调度和定时执行的任务。
选择合适的阻塞队列可以优化线程池的性能，保证系统的高效稳定运行。开发者应根据具体的任务需求、系统负载特点以及处理任务的紧急性来选择合适的阻塞队列。