深入理解线程池

一 线程池的定义

线程池（Thread Pool）是一种设计模式，它通过预先创建并维护一组可重用的线程来执行任务。这些线程被集中管理在一个池中，当有任务需要执行时，线程池会从池中分配一个空闲线程来处理任务，而不是为每个任务都创建新的线程。任务完成后，线程不会被销毁，而是返回到池中等待下一个任务。

二 线程池的目的

线程池的主要目的是优化并发任务的执行效率，同时提高系统的稳定性和资源利用率。具体来说，线程池的设计旨在解决以下问题：

2.1 减少线程创建和销毁的开销

• 每次创建新线程都会消耗系统资源（如内存、CPU等），并且销毁线程也会带来额外的开销。线程池通过复用已有的线程，避免了频繁的线程创建和销毁操作。

2.2 控制并发线程的数量

• 如果允许无限制地创建线程，可能会导致系统资源耗尽，甚至引发崩溃。线程池通过限制线程的数量，防止过多线程同时运行，从而避免资源竞争和系统过载。

2.3 提高任务响应的速度

• 预先创建的线程可以立即执行任务，无需等待线程初始化的时间，从而显著提升任务的响应速度。

2.4 简化线程管理

• 线程池提供了一种统一的方式来管理和调度线程，开发者无需手动创建和销毁线程，降低了编程复杂度。

三 线程池的实现

3.1 固定大小线程池(Fixed Thread Pool)

• 实现方式：通过Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)方法创建。
• 特点：拥有固定数量的工作线程。如果所有线程都在忙于执行任务，额外的任务将会排队等待，直到有线程空闲出来。
• 适用场景：适用于负载较为稳定的应用场景，可以控制并发线程的数量以避免资源耗尽。

3.2 缓存线程池(Cached Thread Pool)

• 实现方式：使用Executors.newCachedThreadPool()方法创建。
• 特点：根据需要动态创建新线程，并且可以重用空闲线程。如果长时间没有使用的线程会被终止并从缓存中移除。
• 适用场景：适合执行大量短生命周期的异步任务，能够高效利用系统资源。

3.3 单一线程池(Single Thread Executor)

• 实现方式：通过Executors.newSingleThreadExecutor()方法创建。
• 特点：保证任意时间点只有一个线程是活动的，确保任务按顺序执行。
• 适用场景：当需要保证任务顺序执行时非常有用，比如处理关键事务或需要保证操作顺序一致性的任务。

3.4 周期性线程池(Scheduled Thread Pool)

• 实现方式：使用Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)方法创建。
• 特点：支持定时及周期性任务执行。可以通过指定延迟时间来延迟任务执行，也可以设定固定的频率重复执行任务。
• 适用场景：适合需要调度任务的场景，如定时备份、数据同步等。

3.5 工作窃取线程池(Work Stealing Thread Pool)

• 实现方式：通过new ForkJoinPool()方法创建。
• 特点：采用工作窃取算法，线程池中的每个线程都有自己的任务队列，当一个线程完成了自己队列中的任务后，可以从其他线程的队列末尾“窃取”任务来执行，从而提高线程利用率和任务处理效率。
• 适用场景：特别适合可以分解为多个子任务的大任务，如并行计算、大数据处理等场景。

四 线程池的核心参数

线程池的核心参数主要涉及其配置选项，这些参数决定了线程池的行为、性能以及资源管理方式。在Java中，ThreadPoolExecutor类允许开发者通过设置不同的参数来自定义线程池的行为。以下是几个关键的核心参数：

4.1 核心线程数（corePoolSize） 

• 定义：线程池中保持的最小线程数量，即使这些线程处于空闲状态，除非设置了允许核心线程超时。
• 作用：决定线程池中最少有多少个线程随时待命以处理新任务。

4.2 最大线程数（maximumPoolSize）

• 定义：线程池中允许的最大线程数。
• 作用：当任务量增加时，如果当前运行的线程数少于maximumPoolSize，则会创建新的线程来处理任务，直到达到最大限制。

4.3 线程空闲时间（keepAliveTime） 

• 定义：当线程数超过核心线程数时，多余的空闲线程在终止前等待新任务的最长时间。
• 作用：控制非核心线程的存活时间，有助于减少系统资源占用，特别是在负载波动较大的场景下。

4.4 时间单位（unit）

• 定义：为keepAliveTime指定的时间单位，可以是纳秒、微秒、毫秒、秒、分钟、小时或天。
• 作用：精确地定义线程空闲时间的长度。

4.5 工作队列（workQueue）

1. SynchronousQueue

• 特性：不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等待一个移除操作，反之亦然。
• 适用场景：适用于任务提交速率较高且希望直接将任务分配给线程执行的情况。如果当前没有可用线程来处理任务，则会创建新线程（直到达到最大线程数限制）。适合于需要立即处理任务而不需要排队的场景。

2. LinkedBlockingQueue

• 特性：基于链表结构的无界阻塞队列（可以通过构造函数指定容量成为有界队列），按照先进先出（FIFO）原则对元素进行排序。
• 适用场景：由于其无界特性（除非特别指定了容量），可以用来处理大量任务而不会因为队列满而导致任务被拒绝。但是需要注意的是，无界队列可能会导致内存溢出。

3. ArrayBlockingQueue

• 特性：由数组支持的有界阻塞队列，同样遵循FIFO原则。与LinkedBlockingQueue不同，它的大小是固定的，一旦初始化就不能改变。
• 适用场景：适用于需要限制并发任务数量的应用场景，可以帮助控制系统的负载，避免资源耗尽。

4. PriorityBlockingQueue

• 特性：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。元素按照自然顺序或者通过提供的Comparator进行排序。
• 适用场景：当需要根据任务的优先级来决定执行顺序时使用，例如实现定时器、任务调度等场景。

5. DelayQueue

• 特性：一个无界阻塞队列，其中的元素只有在其延迟期满时才能被取出。队列中的元素必须实现Delayed接口。
• 适用场景：非常适合用于实现带有超时特性的任务，如缓存系统中的过期键值对清除、定时任务调度等。

4.6 拒绝策略（handler） 

当线程池和工作队列都已满时，对于新提交的任务采取的策略。 

• 常见策略：
  • AbortPolicy（默认）：直接抛出RejectedExecutionException异常。
  • CallerRunsPolicy：由调用线程（提交任务的线程）执行该任务。
  • DiscardPolicy：直接丢弃任务，不做任何处理。
  • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，然后尝试重新提交当前任务。

五 实现一个简单的线程池 

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 自定义线程池实现类。
 * 该类通过维护一个阻塞队列来管理任务，并使用固定数量的线程来执行这些任务。
 */
class MyThreadPool {

    // 定义一个阻塞队列，用于存储待执行的任务。
    private BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    /**
     * 提交任务到线程池的方法。
     * 将任务添加到阻塞队列中。如果队列已满（如果是有界队列），则会阻塞当前线程直到有空间可用。
     *
     * @param runnable 要提交的任务（实现了 Runnable 接口的对象）。
     * @throws InterruptedException 如果在等待队列空间时线程被中断，则抛出异常。
     */
    public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException {
        queue.put(runnable); // 将任务放入队列中。
    }

    /**
     * 构造方法，初始化线程池。
     * 创建指定数量的工作线程，每个线程会从阻塞队列中取出任务并执行。
     *
     * @param n 线程池中工作线程的数量。
     */
    public MyThreadPool(int n) {
        // 根据指定的数量创建多个线程。
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            // 创建一个新的线程，该线程会不断从队列中取出任务并执行。
            Thread t = new Thread(() -> {
                try {
                    while (true) { // 无限循环，持续从队列中取任务。
                        // 从阻塞队列中取出一个任务（如果队列为空，则线程会阻塞等待）。
                        Runnable runnable = queue.take();
                        // 执行任务的 run 方法。
                        runnable.run();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    // 捕获线程中断异常，并打印堆栈信息。
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            // 启动线程，使其开始运行。
            t.start();
        }
    }
}