Java进阶之线程池深入理解

1 基本概念

　　线程池，就是一个线程的池子，里面有若干线程，它们的目的就是执行提交给线程池的任务，执行完一个任务后不会退出，而是继续等待或执行新任务。
　　线程池主要由两个概念组成，一个是任务队列，另一个是工作者线程，工作者线程主体就是一个循环，循环从队列中接受任务并执行，任务队列保存待执行的任务。
　　线程池的概念类似于生活中的一些排队场景，比如在火车站排队购票、在医院排队挂号、在银行排队办理业务等，一般都由若干个窗口提供服务，这些服务窗口类似于工作者线程，而队列的概念是类似排队的队伍。

2 线程池的优点

• 它可以重用线程，避免线程创建的开销。
• 在任务过多时，通过排队避免创建过多线程，减少系统资源消耗和竞争，确保任务有序完成。

3 理解线程池

3.1 构造方法

　　ThreadPoolExecutor有多个构造方法，都需要一些参数，主要构造方法有：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}                    

3.2 线程池大小

　　线程池的大小主要与四个参数有关：

• corePoolSize：表示线程池中的核心线程个数，但并不是一开始就创建这么多线程，刚创建一个线程池后，不会预先创建核心线程，只有当有任务时才会创建；而且核心线程不会因为空闲而被终止，keepAliveTime参数不适用于它。
• maximumPoolSize：表示线程池中的最多线程数，线程的个数会动态变化，但这是最大值，不管有多少任务，都不会创建比这个值大的线程个数。
• keepAliveTime：表示当线程池中的线程个数大于corePoolSize时，额外空闲线程的存活时间。也就是说，一个非核心线程，在空闲等待新任务时，会有一个最长等待时间，即keepAliveTime，如果到了时间还是没有新任务，就会被终止。如果该值为0，表示所有线程都不会超时终止。

• unit：是keepAliveTime参数的时间单位，参数为TimeUnit的枚举，常见的有TimeUnit.MILLISECONDS(毫秒)、TimeUnit.SECOND(秒) 等。

• 一般情况下，有新任务到来的时候，如果当前线程个数小于corePoolSize，就会直接创建一个新线程来执行该任务，即使其他线程现在也是空闲的，也会创建新线程。

• 如果当前线程个数大于等于corePoolSize，那就不会立即创建新线程了，它会先尝试请求加入队列，它是”尝试”入队，而不是”阻塞等待”入队。
• 如果队列满了或其他原因不能立即入队，它就不会入队，而是检查线程个数是否达到了maximumPoolSize，如果没有，就会继续创建线程，直到线程数达到maximumPoolSize。否则任务将被拒绝。

3.3 队列

　　ThreadPoolExecutor要求的队列类型是阻塞队列BlockingQueue，它们都可以用作线程池的队列，比如：

• LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，可以指定最大长度，但默认是无界的。如果用的是无界队列，创建的线程就不会超过 corePoolSize，到达corePoolSize后，新的任务总会排队，参数maximumPoolSize也就没有意义了。
• ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列，有助于防止资源耗尽。
• PriorityBlockingQueue：基于堆的无界阻塞优先级队列。
• SynchronousQueue：直接提交。没有实际存储空间的同步阻塞队列，当尝试排队时，只有正好有空闲线程在等待接受任务时，则其中一个空闲线程接受该任务；否则总是会创建新线程，直到达到maximumPoolSize。

3.4 任务拒绝策略

　　如果队列有界，且maximumPoolSize有限，则当队列排满，线程个数也达到了maximumPoolSize，这时新任务来了，如何处理呢？此时，会触发线程池的任务拒绝策略。需要强调下，拒绝策略只有在队列有界，且maximumPoolSize有限的情况下才会触发。
　　默认情况下，提交任务的方法如execute/submit/invokeAll等会抛出异常，类型为RejectedExecutionException。不过，拒绝策略是可以自定义的，ThreadPoolExecutor实现了四种处理方式：

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：这就是默认的方式，抛出异常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：静默处理，忽略新任务，不抛异常，也不执行。
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：将等待时间最长的任务扔掉，然后自己排队。
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：在任务提交者线程中执行任务，而不是交给线程池中的线程执行。

4 线程池的类型及区别

　　类Executors提供了一些静态工厂方法，可以方便的创建一些预配置的线程池，主要方法有：

• newSingleThreadExecutor：只有一个核心线程，确保所有任务都在同一线程中按顺序完成。因此适用于需要确保所有任务被顺序执行的场合。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

　　只使用一个线程，使用无界队列LinkedBlockingQueue，线程创建后不会超时终止，该线程顺序执行所有任务。　

• newFixedThreadPool：线程固定，且不会被回收，能够更快的响应外界请求。比较适合在系统负载高下，通过队列对新任务排队，保证有足够的资源处理实际的任务。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

　　使用固定数目的n个线程，使用无界队列LinkedBlockingQueue，线程创建后不会超时终止。和newSingleThreadExecutor一样，由于是无界队列，如果排队任务过多，可能会消耗非常大的内存。

• newCachedThreadPool：核心线程为0，非核心线程数量相当于无限大，任何任务都会被立即执行。比较适合在系统负载不太高下，执行大量的执行时间比较短的任务。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}

　　它的corePoolSize为0，maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE，keepAliveTime是60秒，队列为SynchronousQueue。含义是，当新任务到来时，如果正好有空闲线程在等待任务，则其中一个空闲线程接受该任务，否则就总是创建一个新线程，创建的总线程个数不受限制。对任一空闲线程，如果60秒内没有新任务，就终止。

• ScheduledThreadPool：核心线程数量固定，非核心线程数量不定的线程池。适合执行定时任务或者具有周期性的重复任务。

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
          DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}

　　ScheduledThreadPool的核心线程数量是固定的，由传入的corePoolSize参数决定，非核心线程数量可以无限大。非核心线程闲置回收的超时时间为10秒（ DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS的值为10L）。

5 阿里Android手册的强制要求

　　线程池不允许使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 的方
式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。Executors 返回的线程池对象的弊端如下：

• FixedThreadPool和SingleThreadPool ： 允 许 的 请 求 队 列 长 度 为
  Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致OOM；
• CachedThreadPool和ScheduledThreadPool ： 允 许 的 创 建 线 程 数 量 为
  Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致OOM。

//正例
int NUMBER_OF_CORES = Runtime.getRuntime().availableProcessors();//返回可用处理器的Java虚拟机的数量
int KEEP_ALIVE_TIME = 1;
TimeUnit KEEP_ALIVE_TIME_UNIT = TimeUnit.SECONDS;
BlockingQueue<Runnable> taskQueue = new LinkedBlockingQueue<Runnable>();

ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(NUMBER_OF_CORES, NUMBER_OF_CORES*2,                        
                                                        KEEP_ALIVE_TIME, KEEP_ALIVE_TIME_UNIT,
                                                        taskQueue, new BackgroundThreadFactory(), 
                                                        new DefaultRejectedExecutionHandler());

//反例
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

6 总结

　　ThreadPoolExecutor实现了生产者/消费者模式，工作者线程就是消费者，任务提交者就是生产者，线程池自己维护任务队列。当我们碰到类似生产者/消费者问题时，应该优先考虑直接使用线程池，而非重新发明轮子，自己管理和维护消费者线程及任务队列。

7 参考链接

计算机程序的思维逻辑 (78) - 线程池

Android 线程池的类型、区别以及为何要用线程池

必须要理清的Java线程池

【Java】线程池ThreadPoolExecutor实现原理

阿里Anddroid开发手册