Java基础篇 | 线程池相关

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思维导图

1.前言

大家好，我是Leo哥🫣🫣🫣，继上一篇我们没有学习完的多线程,这一节我们主要学习多线程中的线程池相关内容。好了，话不多说让我们开始吧😎😎😎。

2.线程状态介绍

在学习线程池之前，我们有必要先了解一下关于线程的集中状态。

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。线程对象在不同的时期有不同的状态。那么Java中的线程存在哪几种状态呢？Java中的线程

状态被定义在了java.lang.Thread.State枚举类中，State枚举类的源码如下：

通过源码我们可以看到Java中的线程存在6种状态，每种线程状态的含义如下：

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线程状态	具体含义
NEW	一个尚未启动的线程的状态。也称之为初始状态、开始状态。线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。MyThread t = new MyThread()只有线程象，没有线程特征。
RUNNABLE	当我们调用线程对象的start方法，那么此时线程对象进入了RUNNABLE状态。那么此时才是真正的在JVM进程中创建了一个线程，线程一经启动并不是立即得到执行，线程的运行与否要听令与CPU的调度，那么我们把这个中间状态称之为可执行状态(RUNNABLE)也就是说它具备执行的资格，但是并没有真正的执行起来而是在等待CPU的度。
BLOCKED	当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。
WAITING	一个正在等待的线程的状态。也称之为等待状态。造成线程等待的原因有两种，分别是调用Object.wait()、join()方法。处于等待状态的线程，正在等待其他线程去执行一个特定的操作。例如：因为wait()而等待的线程正在等待另一个线程去调用notify()或notifyAll()；一个因为join()而等待的线程正在等待另一个线程结束。
TIMED_WAITING	一个在限定时间内等待的线程的状态。也称之为限时等待状态。造成线程限时等待状态的原因有三种，分别是：Thread.sleep(long)，Object.wait(long)、join(long)。
TERMINATED	一个完全运行完成的线程的状态。也称之为终止状态、结束状态

那么线程这几种状态是如何进行转换的呢，我们来看一下下面这张图

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3.线程池

3.1线程池-概述

提到池，大家应该能想到的就是水池。水池就是一个容器，在该容器中存储了很多的水。那么什么是线程池呢？线程池也是可以看做成一个池子，在该池子中存储很多个线程。

**线程池(Thread Pool)**是一种基于池化思想管理线程的工具，经常出现在多线程服务器中，如MySQL。

线程过多会带来额外的开销，其中包括创建销毁线程的开销、调度线程的开销等等，同时也降低了计算机的整体性能。线程池维护多个线程，等待监督管理者分配可并发执行的任务。这种做法，一方面避免了处理任务时创建销毁线程开销的代价，另一方面避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题，保证了对内核的充分利用。

而本文描述线程池是JDK中提供的ThreadPoolExecutor类。

当然，使用线程池可以带来一系列好处：

降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。
提供更多更强大的功能：线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。

3.2线程池解决了什么问题

线程池解决的核心问题就是资源管理问题。在并发环境下，系统不能够确定在任意时刻中，有多少任务需要执行，有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题：

频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能会非常巨大。
对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。

为解决资源分配这个问题，线程池采用了“池化”（Pooling）思想。池化，顾名思义，是为了最大化收益并最小化风险，而将资源统一在一起管理的一种思想。

Pooling is the grouping together of resources (assets, equipment, personnel, effort, etc.) for the purposes of maximizing advantage or minimizing risk to the users. The term is used in finance, computing and equipment management.——wikipedia

池化思想不仅仅能应用在计算机领域，在金融、设备、人员管理、工作管理等领域也有相关的应用。

在计算机领域中的表现为：统一管理IT资源，包括服务器、存储、和网络资源等等。通过共享资源，使用户在低投入中获益。除去线程池，还有其他比较典型的几种使用策略包括：

内存池(Memory Pooling)：预先申请内存，提升申请内存速度，减少内存碎片。
连接池(Connection Pooling)：预先申请数据库连接，提升申请连接的速度，降低系统的开销。
实例池(Object Pooling)：循环使用对象，减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。

在了解完了什么是线程池以及线程池为我们解决了什么问题之后，下面我们来一起深入一下线程池的内部实现原理。

3.3如何构造一个线程池

ThreadPoolExecutor定义了七大核心属性，这些属性是线程池实现的基石。

corePoolSize(int)：核心线程数量。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到任务队列当中。线程池将长期保证这些线程处于存活状态，即使线程已经处于闲置状态。除非配置了allowCoreThreadTimeOut=true，核心线程数的线程也将不再保证长期存活于线程池内，在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。
workQueue：阻塞队列，存放等待执行的任务，线程从workQueue中取任务，若无任务将阻塞等待。当线程池中线程数量达到corePoolSize后，就会把新任务放到该队列当中。JDK提供了四个可直接使用的队列实现，分别是：基于数组的有界队列ArrayBlockingQueue、基于链表的无界队列LinkedBlockingQueue、只有一个元素的同步队列SynchronousQueue、优先级队列PriorityBlockingQueue。在实际使用时一定要设置队列长度。
maximumPoolSize(int)：线程池内的最大线程数量，线程池内维护的线程不得超过该数量，大于核心线程数量小于最大线程数量的线程将在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。当阻塞队列存满后，将会创建新线程执行任务，线程的数量不会大于maximumPoolSize。
keepAliveTime(long)：线程存活时间，若线程数超过了corePoolSize，线程闲置时间超过了存活时间，该线程将被销毁。除非配置了allowCoreThreadTimeOut=true，核心线程数的线程也将不再保证长期存活于线程池内，在空闲时间超过keepAliveTime后被销毁。
TimeUnit unit：线程存活时间的单位，例如TimeUnit.SECONDS表示秒。
RejectedExecutionHandler：拒绝策略，当任务队列存满并且线程池个数达到maximunPoolSize后采取的策略。ThreadPoolExecutor中提供了四种拒绝策略，分别是：抛RejectedExecutionException异常的AbortPolicy(如果不指定的默认策略)、使用调用者所在线程来运行任务CallerRunsPolicy、丢弃一个等待执行的任务，然后尝试执行当前任务DiscardOldestPolicy、不动声色的丢弃并且不抛异常DiscardPolicy。项目中如果为了更多的用户体验，可以自定义拒绝策略。
threadFactory：创建线程的工厂，虽说JDK提供了线程工厂的默认实现DefaultThreadFactory，但还是建议自定义实现最好，这样可以自定义线程创建的过程，例如线程分组、自定义线程名称等。

一般我们使用类的构造方法创建它的对象，ThreadPoolExecutor提供了四个构造方法。

以看到前三个方法最终都调用了最后一个、参数列表最长的那个方法，在这个方法中给七个属性赋值。创建线程池对象，强烈建议通过使用ThreadPoolExecutor的构造方法创建，不要使用Executors，至于建议的理由上文中也有说过，这里再引用阿里《Java开发手册》中的一段描述。

3.4线程池-基本原理

线程池的设计思路 :

准备一个任务容器
一次性启动多个(2个)消费者线程
刚开始任务容器是空的，所以线程都在wait
直到一个外部线程向这个任务容器中扔了一个"任务"，就会有一个消费者线程被唤醒
这个消费者线程取出"任务"，并且执行这个任务，执行完毕后，继续等待下一次任务的到来

一般我们使用的execute方法是在Executor接口中定义的，而submit方法是在ExecutorService接口中定义的，所以当我们创建一个Executor类型变量引用ThreadPoolExecutor对象实例时可以使用execute方法提交任务，当我们创建一个ExecutorService类型变量时可以使用submit方法，当然我们可以直接创建ThreadPoolExecutor类型变量使用execute方法或submit方法。

3.5线程池-Executors默认线程池

概述 : JDK对线程池也进行了相关的实现，在真实企业开发中我们也很少去自定义线程池，而是使用JDK中自带的线程池。

我们可以使用Executors中所提供的静态方法来创建线程池

代码实现 :

package com.javatop.mythreadpool;


//static ExecutorService newCachedThreadPool()   创建一个默认的线程池
//static newFixedThreadPool(int nThreads)	    创建一个指定最多线程数量的线程池

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MyThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //1,创建一个默认的线程池对象.池子中默认是空的.默认最多可以容纳int类型的最大值.
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //Executors --- 可以帮助我们创建线程池对象
        //ExecutorService --- 可以帮助我们控制线程池

        executorService.submit(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在执行了");
        });

        //Thread.sleep(2000);

        executorService.submit(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在执行了");
        });

        executorService.shutdown();
    }
}

3.6线程池-Executors创建指定上限的线程池

使用Executors中所提供的静态方法来创建线程池

代码实现 :

package com.javatop.mythreadpool;

//static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
//创建一个指定最多线程数量的线程池

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

public class MyThreadPoolDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        //参数不是初始值而是最大值
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        ThreadPoolExecutor pool = (ThreadPoolExecutor) executorService;
        System.out.println(pool.getPoolSize());//0

        executorService.submit(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在执行了");
        });

        executorService.submit(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在执行了");
        });

        System.out.println(pool.getPoolSize());//2
//        executorService.shutdown();
    }
}

3.7线程池-ThreadPoolExecutor

创建线程池对象 :

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(核心线程数量,最大线程数量,空闲线程最大存活时间,任务队列,创建线程工厂,任务的拒绝策略);

代码实现 :

package com.javatop.mythreadpool;

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

public class MyThreadPoolDemo3 {
//    参数一：核心线程数量
//    参数二：最大线程数
//    参数三：空闲线程最大存活时间
//    参数四：时间单位
//    参数五：任务队列
//    参数六：创建线程工厂
//    参数七：任务的拒绝策略
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(2,5,2,TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(10), Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
        pool.submit(new MyRunnable());
        pool.submit(new MyRunnable());

        pool.shutdown();
    }
}

3.8线程池-参数详解

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3.9线程池-非默认任务拒绝策略

RejectedExecutionHandler是jdk提供的一个任务拒绝策略接口，它下面存在4个子类。

注：明确线程池对多可执行的任务数 = 队列容量 + 最大线程数

案例演示1：演示ThreadPoolExecutor.AbortPolicy任务处理策略

public class ThreadPoolExecutorDemo01 {

    public static void main(String[] args) {

        /**
         * 核心线程数量为1 ， 最大线程池数量为3, 任务容器的容量为1 ,空闲线程的最大存在时间为20s
         */
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1 , 3 , 20 , TimeUnit.SECONDS ,
                new ArrayBlockingQueue<>(1) , Executors.defaultThreadFactory() , new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()) ;

        // 提交5个任务，而该线程池最多可以处理4个任务，当我们使用AbortPolicy这个任务处理策略的时候，就会抛出异常
        for(int x = 0 ; x < 5 ; x++) {
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---->> 执行了任务");
            });
        }
    }
}

控制台输出结果

pool-1-thread-1---->> 执行了任务
pool-1-thread-3---->> 执行了任务
pool-1-thread-2---->> 执行了任务
pool-1-thread-3---->> 执行了任务

控制台报错，仅仅执行了4个任务，有一个任务被丢弃了

案例演示2：演示ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy任务处理策略

public class ThreadPoolExecutorDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 核心线程数量为1 ， 最大线程池数量为3, 任务容器的容量为1 ,空闲线程的最大存在时间为20s
         */
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1 , 3 , 20 , TimeUnit.SECONDS ,
                new ArrayBlockingQueue<>(1) , Executors.defaultThreadFactory() , new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()) ;

        // 提交5个任务，而该线程池最多可以处理4个任务，当我们使用DiscardPolicy这个任务处理策略的时候，控制台不会报错
        for(int x = 0 ; x < 5 ; x++) {
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---->> 执行了任务");
            });
        }
    }
}

控制台输出结果

pool-1-thread-1---->> 执行了任务
pool-1-thread-1---->> 执行了任务
pool-1-thread-3---->> 执行了任务
pool-1-thread-2---->> 执行了任务

控制台没有报错，仅仅执行了4个任务，有一个任务被丢弃了

案例演示3：演示ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy任务处理策略

public class ThreadPoolExecutorDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 核心线程数量为1 ， 最大线程池数量为3, 任务容器的容量为1 ,空闲线程的最大存在时间为20s
         */
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor;
        threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1 , 3 , 20 , TimeUnit.SECONDS ,
                new ArrayBlockingQueue<>(1) , Executors.defaultThreadFactory() , new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
        // 提交5个任务
        for(int x = 0 ; x < 5 ; x++) {
            // 定义一个变量，来指定指定当前执行的任务;这个变量需要被final修饰
            final int y = x ;
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---->> 执行了任务" + y);
            });     
        }
    }
}

控制台输出结果

pool-1-thread-2---->> 执行了任务2
pool-1-thread-1---->> 执行了任务0
pool-1-thread-3---->> 执行了任务3
pool-1-thread-1---->> 执行了任务4

由于任务1在线程池中等待时间最长，因此任务1被丢弃。

案例演示4：演示ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy任务处理策略

public class ThreadPoolExecutorDemo04 {
    public static void main(String[] args) {

        /**
         * 核心线程数量为1 ， 最大线程池数量为3, 任务容器的容量为1 ,空闲线程的最大存在时间为20s
         */
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor;
        threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1 , 3 , 20 , TimeUnit.SECONDS ,
                new ArrayBlockingQueue<>(1) , Executors.defaultThreadFactory() , new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

        // 提交5个任务
        for(int x = 0 ; x < 5 ; x++) {
            threadPoolExecutor.submit(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---->> 执行了任务");
            });
        }
    }
}

控制台输出结果

pool-1-thread-1---->> 执行了任务
pool-1-thread-3---->> 执行了任务
pool-1-thread-2---->> 执行了任务
pool-1-thread-1---->> 执行了任务
main---->> 执行了任务

通过控制台的输出，我们可以看到次策略没有通过线程池中的线程执行任务，而是直接调用任务的run()方法绕过线程池直接执行。

4.参考文献

5.总结

以上便是本文的全部内容，本人才疏学浅，文章有什么错误的地方，欢迎大佬们批评指正！我是Leo，一个在互联网行业的小白，立志成为更好的自己。

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