线程池的使用及实现

news2024/11/17 13:50:02

使用多进程进行并发编程，会频繁的创建销毁进程，效率比较慢，所以引入了线程，线程使用复用资源的方式提高了创建销毁的效率，但是随着创建线程的频率进一步提高，开销仍然无法忽略不计了。

要想办法优化此处线程的创建销毁效率，方案有两种：

引入轻量级线程——纤程/协程。即Java 21里引入的”虚拟线程“。协程的本质是程序员在用户态代码中进行调度，不是靠内核的调度器调度的，节省了很多调度上的开销。
线程池。把要使用的线程提前创建好，用完了不销毁等待下次使用。每次创建一个新线程需要为该线程分配堆栈内存、初始化线程管理数据结构等等，这些操作都需要消耗一定的系统资源。使用线程池可以重复利用已经创建的线程，避免了这种开销。

1. Java标准库中的线程池

1.1 ThreadPoolExecutor类

ThreadPoolExecutor 类提供了如下四个构造方法：

我们重点理解最后一个：

corePoolSize（核心线程数）：这是线程池中始终保持活动状态的线程数量。即使没有任务需要执行，这些线程也会保持活跃，可以理解为最小线程数。
maximumPoolSize（最大线程数）：最大线程池大小。当提交的任务数大于核心线程池大小并且工作队列已满时，线程池会创建新线程来处理任务，但新线程数量不会超过最大线程池大小。
keepAliveTime（非核心线程空闲时间）：非核心线程空闲时间。当线程池中的线程数量大于核心线程池大小时，如果线程空闲时间超过了该参数所指定的时间，那么这个线程就会被销毁，直到线程数量等于核心线程池大小。
unit（时间单位）：keepAliveTime参数的时间单位，可以是秒、毫秒等。
workQueue（工作队列）：任务队列。用于存储尚未执行的任务。线程池会从任务队列中取出任务并进行处理。
threadFactory（线程工厂）：用于创建新线程的工厂。可以通过自定义线程工厂来设置线程的名称、优先级等属性。
handler（拒绝策略）：当线程池无法处理新提交的任务时，将使用此策略来处理。常见的拒绝策略有：
AbortPolicy：直接抛出异常，不处理任务。
CallerRunsPolicy：只用调用者所在的线程来运行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，然后尝试重新提交当前任务。
DiscardPolicy：直接丢弃任务，不处理。

需要注意的是，corePoolSize和maximumPoolSize参数决定了线程池的容量大小，而workQueue则决定了能够存储多少个等待执行的任务。如果任务量过大，超出了workQueue的容量，再加上全部的线程都在执行任务的情况下，那么就会触发线程池的拒绝策略来处理这些任务，从而保证线程池不会因为资源被耗尽而崩溃。

解释：

工厂模式：工厂模式是一种常见的设计模式，通过专门的工厂类 / 工厂对象来创建指定的对象，例如这里的 ThreadFactory。

工厂模式本质上是为了给Java语法填坑的，举个例子：

我要表示平面上的一个点，可以用笛卡尔坐标系，也可以用极坐标系：

很明显，这样的代码无法通过编译，因为，这两个构造方法无法构成重载。

为了解决上述问题，就引入了工厂模式，使用普通的方法来创建对象，就是把构造方法封装了一层：

此时这两个方法就叫工厂方法，如果把工厂方法放到其他的类里，这个类就叫工厂类，总的来说，通过静态方法封装new 操作，在方法内部设定不同的属性完成对象初始化，构造对象的过程就是工厂模式。

1.2 Executors 工厂类

ThreadPoolExecutor 类本身用起来比较复杂，所以标志库中还提供了另一个版本，把ThreadPoolExecutor 给封装了一下。即 Executors 工厂类，通过这个类来创建出不同的线程池对象（在内部把ThreadPoolExecutor 创建好了，并设置了不同的参数）。

SingleThreadExecutor：只包含单个线程的线程池
ScheduledThreadPool：定时器类似物，能延时执行任务
CachedThreadPool：线程数目能动态扩容
FixedThreadPool：线程数目固定

使用示例：

public class ThreadDemo28 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个四个线程的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(4);
        //通过submit方法添加任务
        service.submit(() -> {
            System.out.println("Ting");
        });
    }
}

ThreaPoolExecutor 也是通过submit 添加任务，只是构造方法不同。

希望高度定制化时使用 ThreadPoolExecutor

创建线程池的时候，怎么设置线程池的线程数量比较合适？

这个情况需要具体问题具体分析：

一个线程是CPU密集型任务，还是 IO 密集型任务

CPU密集型任务：这个线程大部分都在CPU上执行，如果所有线程都是CPU密集型的，这个时候建议线程数量不要大于设备的逻辑核心数量。

IO 密集型任务：这个线程大部分时间都在等待 IO ，如果所有线程都是 IO 密集型的，这个时候线程数量可以很多

上述两种情况是极端情况，大部分情况都是，有一部分线程是 CPU 密集型，一部分是 IO 密集型，所以，更适合的做法是通过测试的方式找到合适的线程数目。

即尝试给线程池设定不同的线程数目分别进行性能测试，对比每种线程数目下，总的时间开销，和系统资源占用的开销，找到一个最合适的值。

2. 简单实现一个线程池

我们先来整理一下，实现一个线程池需要哪些内容：

一个任务队列：记录要执行的任务
submit方法：添加任务
构造方法：指定线程的数量以及创建，运行线程

class MyTreadPoolExecutor {
    //任务队列,这里使用一个阻塞队列
    private BlockingQueue<Runnable> queue = new ArrayBlockingQueue<>(1000);

    //构造方法
    public MyTreadPoolExecutor(int num) {
        for(int i = 0; i < num; i++) {
            //创建线程
            Thread t = new Thread(() -> {
                //循环取出任务并执行
                while(true) {
                    try {
                        queue.take().run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });
            t.start();
        }
    }

    //submit
    public void submit(Runnable runnable) {
        //添加任务
        try {
            queue.put(runnable);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}
public class TreadDemo29 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTreadPoolExecutor pool = new MyTreadPoolExecutor(4);

        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            int n = i;
            pool.submit(() -> {
                System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + "执行了任务：" + n);
            });
        }
    }
}

运行效果：