Java并发编程：线程池的原理

为什么我们要用线程池？

1.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，因为创建/销毁线程伴随着系统开销，过于频繁的创建/销毁线程，会很大程度上影响处理效率。
假如创建一个线程消耗时间为T1，执行任务消耗时间T2，销毁线程消耗时间T3。
如果T1+T3 > T2，线程用来创建和销毁的时间大于了执行任务的时间，那么开启一个线程来执行这个任务太不值得了。
线程池缓存线程可以用已有的闲置线程来执行新任务，避免了线程创建和销毁带来的系统开销。
2.线程并发数量过多，抢占系统资源从而导致阻塞
线程能共享系统资源，如果同时执行的线程过多，就有可能导致系统资源不足而产生阻塞的情况
运用线程池能有效的控制线程最大并发数，可以解决上面的问题
3.对线程进行简单的管理
比如：延时执行，定时循环执行的策略，运用线程池都能进行很好的实现

线程池ThreadPoolExecutor

Java中，线程池的概念是Executor接口，ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类，学习Java中的线程池，就可以直接学习这个类了。
对线程池的配置，就是对ThreadPoolExecutor构造函数的配置。
**ThreadPoolExecutor提供四个构造函数**

五个参数的构造函数 
public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize, 
    int maximumPoolSize, 
    long keepAliveTime,
    TimeUnit unit, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue) 
六个参数的构造函数-1 
public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize, 
    int maximumPoolSize,
    long keepAliveTime, 
    TimeUnit unit, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue, 
    ThreadFactory threadFactory)
六个参数的构造函数-2 
public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize, 
    int maximumPoolSize, 
    long keepAliveTime, 
    TimeUnit unit, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue,
    RejectedExecutionHandler handler) 
七个参数的构造函数 
public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize, 
    int maximumPoolSize, 
    long keepAliveTime, 
    TimeUnit unit, 
    BlockingQueue<Runnable> workQueue, 
    ThreadFactory threadFactory, 
    RejectedExecutionHandler handler)

参数一共有7种类型

- int corePoolSize –>线程中核心线程数最大值
核心线程：
线程池新建线程的时候，如果当前线程总数小于corePoolSize，则新建的是核心线程，如果超过corePoolSize，则新建的是非核心线程
核心线程默认情况下会一直存活在线程池中，即使这个核心线程处于闲置状态
如果指定为ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut这个属性为true，那么核心线程处于闲置状态时，超过一定时间（时间由参数决定），就会被销毁
- int maximumPoolSize
该线程池中线程总数最大值
线程总数 = 核心线程 + 非核心线程
- long keepAliveTime
该线程池中非核心线程闲置超时时长
一个非核心线程，如果处于闲置状态时长超过这个参数所设定的时长，就会被销毁
如果设置allowCoreThreadTimeOut=true，则会作用于核心线程
- TimeUnit unit
keepAliveTime的单位，TimeUnit是一个枚举类型，包括：
NANOSECONDS ： 1微毫秒 = 1微秒 / 1000
MICROSECONDS ： 1微秒 = 1毫秒 / 1000
MILLISECONDS ： 1毫秒 = 1秒 /1000
SECONDS ：秒
MINUTES ：分
HOURS ：小时
DAYS ：天
- BlockingQueue workQueue
该线程池中的任务队列：维护着等待执行的Runnable对象
当所有的核心线程都在干活时，新添加的任务会被添加到这个队列中等待处理，如果队列满了，则新建非核心线程执行任务
常用的workQueue类型：
1.SynchronousQueue：这个队列接收到任务时，会直接提交给线程处理，而不保留它，如果所有的线程都在工作怎么办？那就新建一个线程来处理这个任务，所以为了保证不出现线程数达到了maximumPoolSize而不能新建线程的错误，使用这个类型队列的时候，maximumPoolSize一般指定成Integer.MAX_VALUE，即无限大
2.LinkedBlockingQueue：这个队列接收到任务的时候，如果当前线程数小于核心线程数，则新建线程（核心线程）处理任务；如果当前线程数等于核心线程数，则进入队列等待。由于这个队列没有最大值限制，即所有超过核心线程数的任务都将被添加到队列中，这也就导致maximumPoolSize的设定失效，因为总线程数永远不会超过corePoolSize
3.ArrayBlockingQueue：可以限定队列的长度，接收到任务的时候，如果没有达到corePoolSize的值，则新建线程（核心线程）去执行任务，如果达到了，则入队等候，如果队列已满，则新建线程（非核心线程）执行任务，又如果总数达到了maximumPoolSize，并且队列也满了，则发生错误。
4.DelayQueue：队列内元素必须实现Delayed接口，这就意味着你传进去的任务必须先实现Delayed接口。这个队列接收到任务时，首先先入队，只有达到了指定的延时时间，才会执行任务

ThreadFactory threadFactory
线程工厂，主要用来创建线程的，这是一个接口，需要实现他的Thread newThread(Runnable r)方法
RejectedExecutionHandler handler
用来抛出异常，比如上面提到的两个错误发生了就会由handler抛出异常
**

向ThreadPoolExecutor添加任务

**
如何向线程池提交一个要执行的任务？
通过ThreadPoolExecutor.execute(Runnable command)方法即可向线程池内添加一个任务

ThreadPoolExecutor的策略

当一个任务被添加进线程池时：

线程数量未达到corePoolSize，则新建一个线程（核心线程）执行任务
线程数量达到了corePoolSize，则将任务移入队列等待
队列已满，新建线程（非核心线程）执行任务
队列已满，总线程数又达到了maximumPoolSize，就会由RejectedExecutionHandle抛出异常

常见四种线程池

Java通过Executors提供了四种线程池，这四种线程池都是直接或间接配置ThreadPoolExecutor的参数实现的
CachedThreadPool() 可缓冲线程池
1.线程数无限制
2.有空闲线程则复用空闲线程，若无空闲线程则新建线程
3.一定程度上减少频繁创建/销毁线程，减少系统开销
创建方法：
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

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

FixedThreadPool() 定长线程池
1.可控制线程最大并发数（同时执行的线程数）
2.超出的线程会在队列中等待
支持定时及周期性任务执行
创建方法：

//nThreads => 最大线程数即maximumPoolSize ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads); //threadFactory => 创建线程的方法 ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory);

源码：

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

ScheduledThreadPool() 定时线程池
创建方法：

//nThreads => 最大线程数即maximumPoolSize
ExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize);

源码：

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { 
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
 } //ScheduledThreadPoolExecutor(): 
Integer.MAX_VALUE, 
DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS,
MILLISECONDS, 
new DelayedWorkQueue()); }

SingleThreadExecutor() 单线程化线程池
1，有且只有一个工作线程执行任务
2.所有任务按照指定顺序执行，即遵循队列的入队出队规则
创建方法：

ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadPool();

源码：

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

如何合理配置线程池的大小

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 NCPU+1

如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU

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。

当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；

如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；

如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；

当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。

实践

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5,10,200,
                TimeUnit.MILLISECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
                for(int i = 0; i < 15; i++) {
                    MyTask task = new MyTask(i);
                    executor.execute(task);
                    System.out.println("线程池中线程数目：" + executor.getPoolSize()+
                            "队列中等待的任务数目：" + executor.getQueue().size() +
                            "已经执行完的任务数目：" + executor.getCompletedTaskCount()
                            );
                }
                executor.shutdown();
    }

}

class MyTask implements Runnable {
    private int taskNum;
    public MyTask(int num) {
        this.taskNum = num;
    }
    @Override
    public void run() {
        // TODO 自动生成的方法存根
        System.out.println("正在执行task" + taskNum);
        try{
        Thread.currentThread().sleep(4000);
        }catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("task"+taskNum+"执行完毕");
    }

}

结果：

线程池中线程数目：1队列中等待的任务数目：0已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：2队列中等待的任务数目：0已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：3队列中等待的任务数目：0已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：4队列中等待的任务数目：0已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：0已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：1已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：2已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：3已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：4已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：5队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：6队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：7队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：8队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：9队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
线程池中线程数目：10队列中等待的任务数目：5已经执行完的任务数目：0
正在执行task1
正在执行task10
正在执行task14
正在执行task3
正在执行task12
正在执行task2
正在执行task11
正在执行task0
正在执行task4
正在执行task13
task10执行完毕
task1执行完毕
正在执行task5
正在执行task6
task2执行完毕
task14执行完毕
task3执行完毕
task12执行完毕
正在执行task9
正在执行task8
正在执行task7
task11执行完毕
task0执行完毕
task4执行完毕
task13执行完毕
task5执行完毕
task6执行完毕
task9执行完毕
task7执行完毕
task8执行完毕