剖析线程池：深入理解Java中的线程池构造和调优技巧

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使用Executors工具类创建线程池

Executors的主要方法与默认配置

Executors 工具类是 Java 中创建线程池的标准方法之一，它提供了许多静态方法来创建不同类型的线程池。以下是一些常用的 Executors 方法及其作用：

newFixedThreadPool(int nThreads): 创建一个可重用固定线程数的线程池。
newCachedThreadPool(): 创建一个根据需要创建新线程的线程池，但会在之前构建的线程可用时重用它们。
newSingleThreadExecutor(): 创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，确保按顺序执行任务。
newScheduledThreadPool(int corePoolSize): 创建一个线程池，它可以安排在给定延迟后运行命令，或定期执行命令。

默认配置解释：

newFixedThreadPool 与 newSingleThreadExecutor 在默认设置下，都使用无界的工作队列，这意味着如果所有线程都在忙，新任务将在队列中等待无限长的时间。
newCachedThreadPool 可以无限制地创建线程，这可能会创建过多的线程，消耗过多的系统资源。
newScheduledThreadPool 建议只用于执行延时或定期任务。

分析Executors源码透视线程池创建过程

让我们深入分析 newFixedThreadPool 方法的源码，了解具体的创建过程：

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

该方法调用了 ThreadPoolExecutor 的构造函数，设定了核心线程数 (corePoolSize) 和最大线程数 (maximumPoolSize) 都为用户指定的 nThreads。它使用一个无界的 LinkedBlockingQueue 作为工作队列，这意味着除非线程池关闭，否则线程池中的线程永远不会因为空闲而被回收。
从源码中我们可以看到，虽然 Executors 提供了便捷的创建线程池的方法，但默认的配置并不适合所有场景。特别是在任务频繁提交的情况下，无界队列可能会导致内存溢出。同时，0L 作为 keepAliveTime 参数的值，表示非核心线程不会因为空闲而被终止。

使用ThreadPoolExecutor类创建线程池

ThreadPoolExecutor构造函数解析

ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现类，它提供了创建一个多功能线程池的方式。构造函数中包含几个关键的参数，了解这些参数对于正确使用线程池至关重要：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

corePoolSize: 核心线程数 —— 即使它们是空闲的，也会始终存在于线程池中。
maximumPoolSize: 最大线程数 —— 线程池可支持的最大线程数量。
keepAliveTime 和 unit: 非核心线程的空闲存活时间，一旦超过这个时间非核心线程将被终止。
workQueue: 用于在执行任务之前保存任务的队列，这是一个阻塞队列。
threadFactory: 执行程序创建新线程时使用的工厂。
handler: 当任务太多来不及处理，或线程池关闭时，用于处理被拒绝的任务。

自定义ThreadPoolExecutor实践

为了展示如何自定义 ThreadPoolExecutor，以下是一个简单的示例：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    4, // corePoolSize
    10, // maximumPoolSize
    60L, // keepAliveTime
    TimeUnit.SECONDS, // unit
    new LinkedBlockingQueue<>(100), // workQueue
    Executors.defaultThreadFactory(), // threadFactory
    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // handler
);

在这个例子中，我们创建了一个核心线程数为4，最大线程数为10，并且非核心线程的存活时间为60秒的线程池。工作队列是容量为100的 LinkedBlockingQueue。当队列满时，执行策略是 AbortPolicy，即抛出 RejectedExecutionException 异常。

源码视角分析ThreadPoolExecutor工作原理

ThreadPoolExecutor 的核心工作原理涉及几个重要的步骤：

新任务提交到线程池时，首先会检查核心线程是否全部运行，如果没有，会尝试创建一个新的核心线程。
如果核心线程已满，新任务会被加入工作队列。
如果工作队列已满，会尝试创建新的非核心线程。
如果非核心线程数已达到最大值，任务会根据拒绝策略进行处理。

整个过程是由多个组件协调完成，确保线程池的高效和稳定运行。

使用ForkJoinPool类创建线程池

ForkJoinPool的设计理念

ForkJoinPool 是专门为了优化处理递归和分治算法任务而设计的一个线程池类。不像 ThreadPoolExecutor 使用一个共享队列，ForkJoinPool 为每个工作线程提供了一个双端队列(deque)，用以存储任务。这种设计可以减少线程间竞争，提高效率。
它的关键特性包括工作窃取（work-stealing）算法，工作线程可以从其他线程的队列中窃取任务来执行。这能更好地利用CPU，提高并行度。

ForkJoinPool源码剖析与使用场景

让我们来看一段使用 ForkJoinPool 的代码示例：

ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

pool.execute(() -> {
    // 分解及执行并发任务
});

// 通常使用递归任务 - RecursiveAction 或 RecursiveTask

ForkJoinPool 最典型的使用场景是分解复杂任务为更小的任务，然后并行执行。它通常结合 RecursiveAction（没有返回值的任务）或 RecursiveTask（有返回值的任务）来使用；这两个类提供了 fork() 和 join() 方法，帮助我们实现任务的分解和结果的合并。
基于源码的角度，ForkJoinPool 实现了 ForkJoinWorkerThread，每个线程包含有一个任务队列。当线程中的任务执行完毕后，它会尝试从其他线程的队列窃取任务，保持高效率的执行。
下面是 ForkJoinPool 的构建方式：

ForkJoinPool fjp = new ForkJoinPool(
    Runtime.getRuntime().availableProcessors(),
    ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
    null, //异常处理
    false //asyncMode
);

在上面的例子中，我们创建了一个与可用处理器一样多的线程数量的 ForkJoinPool。通过设置 asyncMode 为 false，我们确保了使用 LIFO（后进先出）顺序处理任务，这对于大部分计算密集型任务来说效率更高。

使用ScheduledThreadPoolExecutor类创建线程池

ScheduledThreadPoolExecutor用法简介

ScheduledThreadPoolExecutor 是 ThreadPoolExecutor 的一个扩展，用于在给定的延迟之后执行命令，或者定期地执行命令。此类是设计为执行线程池中任务的定时或周期性调度。
下面是一些常用的方法：

schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit): 在指定的延迟后执行任务。
scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit): 在指定的延迟之后开始，定期地执行任务。
scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit): 在指定的延迟之后开始，以固定的延迟执行任务。

深入ScheduledThreadPoolExecutor源码

ScheduledThreadPoolExecutor 使用了一个优先级队列 DelayedWorkQueue 来对任务进行排序，确保即将执行的任务位于队列的头部。以下是 ScheduledThreadPoolExecutor 延时执行任务的一个简单实例：

ScheduledThreadPoolExecutor executor = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
executor.schedule(() -> System.out.println("Task executed after 3 seconds"), 3, TimeUnit.SECONDS);

在这个例子中，我们创建了一个单线程的 ScheduledThreadPoolExecutor 实例，并提交了一个在三秒后执行的任务。
源码视角的讲解将涉及 ScheduledThreadPoolExecutor 是如何管理和执行这些安排好的任务。例如，当调用 schedule 方法时，任务将被封装为一个 ScheduledFutureTask 对象并插入到 DelayedWorkQueue 中。

定时任务与延迟执行策略

在 ScheduledThreadPoolExecutor 中，定时任务和延迟执行策略对应于两种核心方法：scheduleAtFixedRate 和 scheduleWithFixedDelay。scheduleAtFixedRate 用于执行固定频率的重复任务，即无论任务执行多长时间都尝试保持固定的时间间隔。而 scheduleWithFixedDelay 确保两次执行之间有固定的延迟，不管任务执行花费了多少时间。