Java笔记：线程池

一. 正确使用ThreadPoolExecutor创建线程池

1.1、基础知识

Executors创建线程池便捷方法列表：下面三个是使用ThreadPoolExecutor的构造方法创建的

方法名	功能
newFixedThreadPool(int nThreads)	创建固定大小的线程池
newSingleThreadExecutor()	创建只有一个线程的线程池
newCachedThreadPool()	创建一个不限线程数上限的线程池，任何提交的任务都将立即执行

ThreadPoolExecutor构造方法
Executors中创建线程池的快捷方法，实际上是调用了ThreadPoolExecutor的构造方法（定时任务使用的是ScheduledThreadPoolExecutor），该类构造方法参数列表如下：

// Java线程池的完整构造函数
public ThreadPoolExecutor(
  int corePoolSize, // 线程池长期维持的线程数，即使线程处于Idle状态，也不会回收。
  int maximumPoolSize, // 线程数的上限
  long keepAliveTime, TimeUnit unit, // 超过corePoolSize的线程的idle时长，
                                     // 超过这个时间，多余的线程会被回收。
  BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 任务的排队队列
  ThreadFactory threadFactory, // 新线程的产生方式
  RejectedExecutionHandler handler) // 拒绝策略

这些参数中，比较容易引起问题的有corePoolSize, maximumPoolSize, workQueue以及handler：
*corePoolSize和maximumPoolSize设置不当会影响效率，甚至耗尽线程；
*workQueue设置不当容易导致OOM；
*handler设置不当会导致提交任务时抛出异常。

线程池的工作顺序

If fewer than corePoolSize threads are running, the Executor always prefers adding a new thread rather than queuing.
If corePoolSize or more threads are running, the Executor always prefers queuing a request rather than adding a new thread.
If a request cannot be queued, a new thread is created unless this would exceed maximumPoolSize, in which case, the task will be rejected.

corePoolSize -> 任务队列 -> maximumPoolSize -> 拒绝策略

Runnable和Callable
可以向线程池提交的任务有两种：Runnable和Callable，二者的区别如下：
1.方法签名不同，void Runnable.run(), V Callable.call() throws Exception
2.是否允许有返回值，Callable允许有返回值
3.是否允许抛出异常，Callable允许抛出异常。

Callable是JDK1.5时加入的接口，作为Runnable的一种补充，允许有返回值，允许抛出异常。

三种提交任务的方式：

提交方式	是否关心返回结果
Future submit(Callable task)	是
void execute(Runnable command)	否
Future submit(Runnable task)	否，虽然返回Future，但是其get()方法总是返回null

2.2 如何正确使用线程池

避免使用无界队列
不要使用Executors.newXXXThreadPool()快捷方法创建线程池，因为这种方式会使用无界的任务队列，为避免OOM，我们应该使用ThreadPoolExecutor的构造方法

手动指定队列的最大长度：

ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(2, 2, 
				0, TimeUnit.SECONDS, 
				new ArrayBlockingQueue<>(512), // 使用有界队列，避免OOM
				new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

明确拒绝任务时的行为
任务队列总有占满的时候，这是再submit()提交新的任务会怎么样呢？RejectedExecutionHandler接口为我们提供了控制方式，接口定义如下：

public interface RejectedExecutionHandler {
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

线程池给我们提供了几种常见的拒绝策略:

拒绝策略	拒绝行为
AbortPolicy	抛出RejectedExecutionException
DiscardPolicy	什么也不做，直接忽略
DiscardOldestPolicy	丢弃执行队列中最老的任务，尝试为当前提交的任务腾出位置
CallerRunsPolicy	直接由提交任务者执行这个任务

线程池默认的拒绝行为是AbortPolicy，也就是抛出RejectedExecutionHandler异常，该异常是非受检异常，很容易忘记捕获。如果不关心任务被拒绝的事件，可以将拒绝策略设置成DiscardPolicy，这样多余的任务会悄悄的被忽略。

ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(2, 2, 
				0, TimeUnit.SECONDS, 
				new ArrayBlockingQueue<>(512), 
				new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());// 指定拒绝策略

获取处理结果和异常
线程池的处理结果、以及处理过程中的异常都被包装到Future中，并在调用Future.get()方法时获取，执行过程中的异常会被包装成ExecutionException，submit()方法本身不会传递结果和任务执行过程中的异常。获取执行结果的代码可以这样写：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
Future<Object> future = executorService.submit(new Callable<Object>() {
        @Override
        public Object call() throws Exception {
            throw new RuntimeException("exception in call~");// 该异常会在调用Future.get()时传递给调用者
        }
    });

try {
  Object result = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
  // interrupt
} catch (ExecutionException e) {
  // exception in Callable.call()
  e.printStackTrace();
}

上述代码输出类似如下：

2.3 线程池的常用场景

正确构造线程池

int poolSize = Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2;
BlockingQueue<Runnable> queue = new ArrayBlockingQueue<>(512);
RejectedExecutionHandler policy = new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy();
executorService = new ThreadPoolExecutor(poolSize, poolSize,
    0, TimeUnit.SECONDS,
            queue,
            policy);

获取单个结果
过submit()向线程池提交任务后会返回一个Future，调用V Future.get()方法能够阻塞等待执行结果，V get(long timeout, TimeUnit unit)方法可以指定等待的超时时间。

获取多个结果
如果向线程池提交了多个任务，要获取这些任务的执行结果，可以依次调用Future.get()获得。但对于这种场景，我们更应该使用ExecutorCompletionService，该类的take()方法总是阻塞等待某一个任务完成，然后返回该任务的Future对象。向CompletionService批量提交任务后，只需调用相同次数的CompletionService.take()方法，就能获取所有任务的执行结果，获取顺序是任意的，取决于任务的完成顺序：

void solve(Executor executor, Collection<Callable<Result>> solvers)
   throws InterruptedException, ExecutionException {

   CompletionService<Result> ecs = new ExecutorCompletionService<Result>(executor);// 构造器

   for (Callable<Result> s : solvers)// 提交所有任务
       ecs.submit(s);

   int n = solvers.size();
   for (int i = 0; i < n; ++i) {// 获取每一个完成的任务
       Result r = ecs.take().get();
       if (r != null)
           use(r);
   }
}

单个任务的超时时间
V Future.get(long timeout, TimeUnit unit)方法可以指定等待的超时时间，超时未完成会抛出TimeoutException。

多个任务的超时时间
等待多个任务完成，并设置最大等待时间，可以通过CountDownLatch完成：

public void testLatch(ExecutorService executorService, List<Runnable> tasks) 
	throws InterruptedException{

    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(tasks.size());
      for(Runnable r : tasks){
          executorService.submit(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  try{
                      r.run();
                  }finally {
                      latch.countDown();// countDown
                  }
              }
          });
      }
      latch.await(10, TimeUnit.SECONDS); // 指定超时时间
  }

2.4 线程池和装修公司

以运营一家装修公司做个比喻。公司在办公地点等待客户来提交装修请求；公司有固定数量的正式工以维持运转；旺季业务较多时，新来的客户请求会被排期，比如接单后告诉用户一个月后才能开始装修；当排期太多时，为避免用户等太久，公司会通过某些渠道（比如人才市场、熟人介绍等）雇佣一些临时工（注意，招聘临时工是在排期排满之后）；如果临时工也忙不过来，公司将决定不再接收新的客户，直接拒单。

线程池就是程序中的“装修公司”，代劳各种脏活累活。上面的过程对应到线程池上：

// Java线程池的完整构造函数
public ThreadPoolExecutor(
  int corePoolSize, // 正式工数量
  int maximumPoolSize, // 工人数量上限，包括正式工和临时工
  long keepAliveTime, TimeUnit unit, // 临时工游手好闲的最长时间，超过这个时间将被解雇
  BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 排期队列
  ThreadFactory threadFactory, // 招人渠道
  RejectedExecutionHandler handler) // 拒单方式

2.5 总结

Executors为我们提供了构造线程池的便捷方法，对于服务器程序我们应该杜绝使用这些便捷方法，而是直接使用线程池ThreadPoolExecutor的构造方法，避免无界队列可能导致的OOM以及线程个数限制不当导致的线程数耗尽等问题。ExecutorCompletionService提供了等待所有任务执行结束的有效方式，如果要设置等待的超时时间，则可以通过CountDownLatch完成。

二、使用Executor创建线程池

2.1四种线程池

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：
1、newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
2、newFixedThreadPool
创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
3、newScheduledThreadPool
创建一个可定期或者延时执行任务的定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
4、newCachedThreadPoo
创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。

2.2、使用场景详解

newSingleThreadExecutor:

底层：FinalizableDelegatedExecutorService包装的ThreadPoolExecutor实例，corePoolSize为1；maximumPoolSize为1；keepAliveTime为0L；unit为：TimeUnit.MILLISECONDS；workQueue为：new LinkedBlockingQueue() 无解阻塞队列
通俗：创建只有一个线程的线程池，且线程的存活时间是无限的；当该线程正繁忙时，对于新任务会进入阻塞队列中(无界的阻塞队列)
适用：一个任务一个任务执行的场景

　　/** 
     *创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行
     */
    public static void singleTheadPoolTest() {
        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int ii = i;
            pool.execute(() -> out.println(Thread.currentThread().getName() + "=>" + ii));
        }
    }

-----output-------
 线程名称：pool-1-thread-1，执行0
 线程名称：pool-1-thread-1，执行1
 线程名称：pool-1-thread-1，执行2
 线程名称：pool-1-thread-1，执行3
 线程名称：pool-1-thread-1，执行4
 线程名称：pool-1-thread-1，执行5
 线程名称：pool-1-thread-1，执行6
 线程名称：pool-1-thread-1，执行7
 线程名称：pool-1-thread-1，执行8
 线程名称：pool-1-thread-1，执行9

newFixedThreadPool：

底层：返回ThreadPoolExecutor实例，接收参数为所设定线程数量nThread，corePoolSize为nThread，maximumPoolSize为nThread；keepAliveTime为0L(不限时)；unit为：TimeUnit.MILLISECONDS；WorkQueue为：new LinkedBlockingQueue() 无界阻塞队列
通俗：创建可容纳固定数量线程的池子，每隔线程的存活时间是无限的，当池子满了就不在添加线程了；如果池中的所有线程均在繁忙状态，对于新任务会进入阻塞队列中(无界的阻塞队列)
适用：执行长期的任务，性能好很多

   /**
     * 1.创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小<br>
     * 2.线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程<br>
     * 3.因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字，和线程名称<br>
     */
    public static void fixTheadPoolTest() {
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int ii = i;
            fixedThreadPool.execute(() -> {
                out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行" + ii);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
------output-------
线程名称：pool-1-thread-3，执行2
线程名称：pool-1-thread-1，执行0
线程名称：pool-1-thread-2，执行3
线程名称：pool-1-thread-3，执行4
线程名称：pool-1-thread-1，执行5
线程名称：pool-1-thread-2，执行6
线程名称：pool-1-thread-3，执行7
线程名称：pool-1-thread-1，执行8
线程名称：pool-1-thread-3，执行9

NewScheduledThreadPool:

底层：创建ScheduledThreadPoolExecutor实例，corePoolSize为传递来的参数，maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE；keepAliveTime为0；unit为：TimeUnit.NANOSECONDS；workQueue为：new DelayedWorkQueue() 一个按超时时间升序排序的队列
通俗：创建一个固定大小的线程池，线程池内线程存活时间无限制，线程池可以支持定时及周期性任务执行，如果所有线程均处于繁忙状态，对于新任务会进入DelayedWorkQueue队列中，这是一种按照超时时间排序的队列结构
适用：周期性执行任务的场景

/**
     * 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行
     */
    public static void sceduleThreadPool() {
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        Runnable r1 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:3秒后执行");
        scheduledThreadPool.schedule(r1, 3, TimeUnit.SECONDS);
        Runnable r2 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:延迟2秒后每3秒执行一次");
        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(r2, 2, 3, TimeUnit.SECONDS);
        Runnable r3 = () -> out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行:普通任务");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            scheduledThreadPool.execute(r3);
        }
    }
----output------
线程名称：pool-1-thread-1，执行:普通任务
线程名称：pool-1-thread-5，执行:普通任务
线程名称：pool-1-thread-4，执行:普通任务
线程名称：pool-1-thread-3，执行:普通任务
线程名称：pool-1-thread-2，执行:普通任务
线程名称：pool-1-thread-1，执行:延迟2秒后每3秒执行一次
线程名称：pool-1-thread-5，执行:3秒后执行
线程名称：pool-1-thread-4，执行:延迟2秒后每3秒执行一次
线程名称：pool-1-thread-4，执行:延迟2秒后每3秒执行一次
线程名称：pool-1-thread-4，执行:延迟2秒后每3秒执行一次
线程名称：pool-1-thread-4，执行:延迟2秒后每3秒执行一次

newCachedThreadPool：

底层：返回ThreadPoolExecutor实例，corePoolSize为0；maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE；keepAliveTime为60L；unit为TimeUnit.SECONDS；workQueue为SynchronousQueue(同步队列)
通俗：当有新任务到来，则插入到SynchronousQueue中，由于SynchronousQueue是同步队列，因此会在池中寻找可用线程来执行，若有可以线程则执行，若没有可用线程则创建一个线程来执行该任务；若池中线程空闲时间超过指定大小，则该线程会被销毁。
适用：执行很多短期异步的小程序或者负载较轻的服务器

/**
     * 1.创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程<br>
     * 2.当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务<br>
     * 3.此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小<br>
     * 
     */
    public static void cacheThreadPool() {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            final int ii = i;
            try {
                Thread.sleep(ii * 1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            cachedThreadPool.execute(()->out.println("线程名称：" + Thread.currentThread().getName() + "，执行" + ii));
        }
    
    }

-----output------
线程名称：pool-1-thread-1，执行1
线程名称：pool-1-thread-1，执行2
线程名称：pool-1-thread-1，执行3
线程名称：pool-1-thread-1，执行4
线程名称：pool-1-thread-1，执行5
线程名称：pool-1-thread-1，执行6
线程名称：pool-1-thread-1，执行7
线程名称：pool-1-thread-1，执行8
线程名称：pool-1-thread-1，执行9
线程名称：pool-1-thread-1，执行10

2.3 线程池任务执行流程

1.当线程池小于corePoolSize时，新提交任务将创建一个新线程执行任务，即使此时线程池中存在空闲线程。
2.当线程池达到corePoolSize时，新提交任务将被放入workQueue中，等待线程池中任务调度执行
3.当workQueue已满，且maximumPoolSize>corePoolSize时，新提交任务会创建新线程执行任务
4.当提交任务数超过maximumPoolSize时，新提交任务由RejectedExecutionHandler处理
5.当线程池中超过corePoolSize线程，空闲时间达到keepAliveTime时，关闭空闲线程
6.当设置allowCoreThreadTimeOut(true)时，线程池中corePoolSize线程空闲时间达到keepAliveTime也将关闭

2.4 备注

一般如果线程池任务队列采用LinkedBlockingQueue队列的话，那么不会拒绝任何任务（因为队列大小没有限制），这种情况下，ThreadPoolExecutor最多仅会按照最小线程数来创建线程，也就是说线程池大小被忽略了。如果线程池任务队列采用
　　
ArrayBlockingQueue队列的话，那么ThreadPoolExecutor将会采取一个非常负责的算法，比如假定线程池的最小线程数为4，最大为8所用的ArrayBlockingQueue最大为10。随着任务到达并被放到队列中，线程池中最多运行4个线程（即最小线程数）。

即使队列完全填满，也就是说有10个处于等待状态的任务，ThreadPoolExecutor也只会利用4个线程。如果队列已满，而又有新任务进来，此时才会启动一个新线程，这里不会因为队列已满而拒接该任务，相反会启动一个新线程。新线程会运行队列中的

第一个任务，为新来的任务腾出空间。这个算法背后的理念是：该池大部分时间仅使用核心线程（4个），即使有适量的任务在队列中等待运行。这时线程池就可以用作节流阀。如果挤压的请求变得非常多，这时该池就会尝试运行更多的线程来清理；

这时第二个节流阀—最大线程数就起作用了。

来自：

Java线程池详解

java四种线程池的使用