《深入理解 Java 线程池：高效管理线程的利器》

线程池

1. 什么是线程池？

线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待空闲状态。如果有新的线程任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，线程池会创建一个新线程进行处理或者放入队列（工作队列）中等待。

2.线程池常用类和接口

在Java标准库提供了如下几个类或接口，来操作并使用线程池：

1.ExecutorService接口：进行线程池的操作访问；

2.Executors类：创建线程池的工具类；

3.ThreadPoolExecutor及其子类：封装线程池的核心参数和运行机制；

线程池的基本使用方式：

// 线程池基本使用方式
// 创建一个ThreadPoolExecutor类型的对象，代表固定大小的线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 该线程池拥有3个线程
// 执行线程任务
executor.execute(task1);
executor.execute(task2);
executor.execute(task3);
executor.execute(task4);
executor.execute(task5);
// 使用结束后，使用shutdown关闭线程池
executor.shutdown();

3.线程池常见方法

●执行无返回值的线程任务：void execute(Runnable command);

●提交有返回值的线程任务：Future submit(Callable task);

●关闭线程池：void shutdown(); 或 shutdownNow();

●等待线程池关闭：boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit);

3.1 执行线程任务

execute()只能提交Runnable类型的任务，没有返回值，而submit()既能提交Runnable类型任务也能提交Callable类型任务，可以返

回Future类型结果，用于获取线程任务执行结果。

execute()方法提交的任务异常是直接抛出的，而submit()方法是捕获异常，当调用Future的get()方法获取返回值时，才会抛出异常。

// 计算1-100w的之间所有数字的累加和，每10w个数字交给1个线程处理
// 创建一个固定大小的线程池:
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 创建集合，用于保存Future执行结果
List<Future<Integer>> futureList = new ArrayList<Future<Integer>>();
// 每10w个数字，封装成一个Callable线程任务，并提交给线程池
for (int i = 0; i <= 900000; i += 100000) {
   Future<Integer> result = executorService.submit(new CalcTask(i+1, i + 100000));
  futureList.add(result);
}
// 处理线程任务执行结果
try {
   int result = 0;
   for (Future<Integer> f : futureList) {
       result += f.get();
   }
  System.out.println("最终计算结果" + result);
} catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
  e.printStackTrace();

}
// 关闭线程池
// 省略.....

运行结果:最终计算结果:1784293664

3.2关闭线程池

线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候，它会等待正在执行的任务先完成，然后再关闭。

shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务；

当使用awaitTermination()方法时，主线程会处于一种等待的状态，按照指定的timeout检查线程池。

第一个参数指定的是时间，第二个参数指定的是时间单位(当前是秒)。返回值类型为boolean型。

如果等待的时间超过指定的时间，但是线程池中的线程运行完毕，awaitTermination()返回true。

如果等待的时间超过指定的时间，但是线程池中的线程未运行完毕，awaitTermination()返回false。

如果等待时间没有超过指定时间，则继续等待。

该方法经常与shutdown()方法配合使用，用于检测线程池中的任务是否已经执行完毕：

// 线程池已提交或执行若干个任务
// 关闭线程池:必须等待任务执行结束后，线程池才会关闭
executorService.shutdown();
// 每隔1秒钟，检查一次线程池的任务执行状态
while(!executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS)) {
   System.out.println("还没有关闭!");
}
System.out.println("已关闭!");

4.线程池的执行流程重要

●1. 提交一个新线程任务，线程池会在线程池中分配一个空闲线程，用于执行线程任务；

●2. 如果线程池中不存在空闲线程，则线程池会判断当前“存活的线程数”是否小于核心线程数corePoolSize。

○如果小于核心线程数corePoolSize，线程池会创建一个新线程（核心线程）去处理新线程任务；

○如果大于核心线程数corePoolSize，线程池会检查工作队列；

■如果工作队列未满，则将该线程任务放入工作队列进行等待。线程池中如果出现空闲线程，将从工作队列中按照FIFO的规则取出1个线程任务并分配执行；

■如果工作队列已满，则判断线程数是否达到最大线程数maximumPoolSize；

●如果当前“存活线程数”没有达到最大线程数maximumPoolSize，则创建一个新线程（非核心线程）执行新线程任务；

●如果当前“存活线程数”已经达到最大线程数maximumPoolSize，直接采用拒绝策略处理新线程任务；

综上所述，执行顺序为：核心线程、工作队列、非核心线程、拒绝策略。

5.线程池的配置参数重要

●corePoolSize线程池核心线程数：也可以理解为线程池维护的最小线程数量，核心线程创建后不会被回收。大于核心线程数的线程，在空闲时间超过keepAliveTime后会被回收；

○在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，当调用 execute() 方法添加一个任务时，如果正在运行的线程数量小于corePoolSize，则马上创建新线程并运行这个任务。

○IO密集计算：由于 I/O 设备的速度相对于 CPU来说都很慢，所以大部分情况下，I/O 操作执行的时间相对于 CPU 计算来说都非常长，这种场景我们一般都称为 I/O 密集型计算。最佳线程数 =CPU 核数 * [ 1 +（I/O 耗时 / CPU 耗时）]。

○CPU密集型：CPU 密集型计算大部分场景下都是纯 CPU 计算，多线程主要目的是提升CPU利用率，最佳线程数 =“CPU 核心数 +1”。这样的话，当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时，这个额外的线程可以临时替补，从而保证 CPU 的利用率。

●maximumPoolSize线程池最大线程数：线程池允许创建的最大线程数量；（包含核心线程池数量）

●keepAliveTime非核心线程线程存活时间：当一个可被回收的线程的空闲时间大于keepAliveTime，就会被回收。

○当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会被回收，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。

○如果设置allowCoreThreadTimeOut = true，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；

●TimeUnit时间单位：参数keepAliveTime的时间单位；

●BlockingQueue阻塞工作队列：用来存储等待执行的任务；

●ThreadFactory线程工厂 : 用于创建线程，以及自定义线程名称，需要实现ThreadFactory接口；

●RejectedExecutionHandler拒绝策略：当线程池线程内的线程耗尽，并且工作队列达到已满时，新提交的任务，将使用拒绝策略进行处理；

○ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：默认策略，丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常；

○ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常；

○ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃工作队列中的队头任务（即最旧的任务，也就是最早进入队列的任务）后，继续将当前任务提交给线程池；

○ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由原调用线程处理该任务（谁调用，谁处理）；

6.线程池分类

Java标准库提供的几种常用线程池，创建这些线程池的方法都被封装到Executors工具类中。

●FixedThreadPool：线程数固定的线程池，使用Executors.newFixedThreadPool()创建；

●CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池，使用Executors.newCachedThreadPool()创建；

●SingleThreadExecutor：仅提供一个单线程的线程池，使用Executors.newSingleThreadExecutor()创建；

●ScheduledThreadPool：能实现定时、周期性任务的线程池，使用Executors.newScheduledThreadPool()创建；

6.1 FixedThreadPool线程池

线程数固定的线程池

以FixedThreadPool线程池为例，线程池的执行步骤如下：

public class Main {
public static void main(String[] args) {
       // 创建一个固定大小的线程池:
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
      for (int i = 0; i < 6; i++) {
       	executorService.execute(new Task("线程"+i));
      }
      // 关闭线程池:
       executorService.shutdown();
  }
}
class Task implements Runnable {
	private String taskName;
	public Task(String taskName) {
	this.taskName = taskName;
	}
   @Override
   public void run() {
        System.out.println("启动线程 ===> " + this.taskName);
      try {
           Thread.sleep(1000);
       } catch (InterruptedException e) {
     }
        System.out.println("结束线程 <= " + this.taskName);
   }
}

执行分析：

●观察执行结果，一次性放入6个任务，由于线程池只有固定的4个线程，因此，前4个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务。

6.2 CachedThreadPool线程池

线程数根据任务动态调整的线程池

●把线程池改为CachedThreadPool，观察运行结果：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

执行分析：

●观察执行结果，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以6个任务可一次性全部同时执行。

6.3 ScheduledThreadPool线程池

能实现定时、周期性任务的线程池

●例如：每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool；

●放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行；

创建ScheduledThreadPool定时任务线程池

ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(3);

延迟3秒钟后执行，任务只执行1次

executorService.schedule(new Task("线程A"), 3, TimeUnit.SECONDS);

延迟2秒钟后，每隔3秒钟执行任务1次

// 方式1
executorService.scheduleAtFixedRate(new Task("线程A"), 2,3, TimeUnit.SECONDS);
// 方式2
executorService.scheduleWithFixedDelay(new Task("线程A"), 2,3, TimeUnit.SECONDS);

FixedRate和FixedDelay的区别：

●FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间；

●FixedDelay是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务；

7.线程池的状态

线程池的状态分为：RUNNING, SHUTDOWN, STOP, TIDYING, TERMINATED

○ RUNNING：运行状态，线程池被一旦被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0。该状态的线程池会接收新任务，并处理工作队列中的任务。

■调用线程池的shutdown()方法，可以切换到SHUTDOWN关闭状态；

■调用线程池的shutdownNow()方法，可以切换到STOP停止状态；

○SHUTDOWN：关闭状态，该状态的线程池不会接收新任务，但会处理工作队列中的任务；

■当工作队列为空时，并且线程池中执行的任务也为空时，线程池进入TIDYING状态；

○STOP：停止状态，该状态的线程不会接收新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，而且会中断正在运行的任务；

■线程池中执行的任务为空,进入TIDYING状态;

○TIDYING：整理状态，该状态表明所有的任务已经运行终止，记录的任务数量为0；

■terminated()执行完毕，进入TERMINATED状态；

○TERMINATED: 终止状态，该状态表示线程池彻底关闭。

线程池状态.webp

8.线程池分类总结重要

8.1 FixedThreadPool

线程数固定的线程池

●线程池参数：

○核心线程数和最大线程数一致

○非核心线程线程空闲存活时间，即keepAliveTime为0

○阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

●工作机制：

a提交线程任务

b如果线程数少于核心线程，创建核心线程执行任务

c如果线程数等于核心线程，把任务添加到LinkedBlockingQueue阻塞队列

d如果线程执行完任务，去阻塞队列取任务，继续执行

●使用场景：适用于处理CPU密集型的任务，确保CPU在长期被工作线程使用的情况下，尽可能的少的分配线程，即适用执行长期的任务。

8.2 CachedThreadPool

可缓存线程池，线程数根据任务动态调整的线程池

●线程池参数：

○核心线程数为0

○最大线程数为Integer.MAX_VALUE

○工作队列是SynchronousQueue同步队列

○非核心线程空闲存活时间为60秒

●工作机制：

a提交线程任务

b因为核心线程数为0，所以任务直接加到SynchronousQueue工作队列

c判断是否有空闲线程，如果有，就去取出任务执行

d如果没有空闲线程，就新建一个线程执行

e执行完任务的线程，还可以存活60秒，如果在这期间，接到任务，可以继续存活下去；否则，被销毁。

●使用场景：用于并发执行大量短期的小任务。

8.3 SingleThreadExecutor

单线程化的线程池

●线程池参数：

○核心线程数为1

○最大线程数也为1

○阻塞队列是LinkedBlockingQueue

○非核心线程空闲存活时间为0秒

●使用场景：适用于串行执行任务的场景，将任务按顺序执行。

8.4 ScheduledThreadPool

能实现定时、周期性任务的线程池

●线程池参数：

○最大线程数为Integer.MAX_VALUE

○阻塞队列是DelayedWorkQueue

○keepAliveTime为0

●使用场景：周期性执行任务，并且需要限制线程数量的需求场景。

9. 线程池使用注意事项

在《阿里巴巴java开发手册》中指出了线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显示的创建线程，这样一方面是线程的创

建更加规范，可以合理控制开辟线程的数量；另一方面线程的细节管理交给线程池处理，优化了资源的开销。而线程池不允许使用

Executors去创建，而要通过ThreadPoolExecutor方式。jdk中Executor框架虽然提供了如newFixedThreadPool()、

newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool()等创建线程池的方法，但都有其局限性，不够灵活；另外由于前面几种方法内部

也是通过new ThreadPoolExecutor方式实现，使用ThreadPoolExecutor有助于大家明确线程池的运行规则，创建符合自己的业务场景需

要的线程池，避免资源耗尽的风险。

里巴巴java开发手册》中指出了线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显示的创建线程，这样一方面是线程的创

建更加规范，可以合理控制开辟线程的数量；另一方面线程的细节管理交给线程池处理，优化了资源的开销。而线程池不允许使用

Executors去创建，而要通过ThreadPoolExecutor方式。jdk中Executor框架虽然提供了如newFixedThreadPool()、

newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool()等创建线程池的方法，但都有其局限性，不够灵活；另外由于前面几种方法内部

也是通过new ThreadPoolExecutor方式实现，使用ThreadPoolExecutor有助于大家明确线程池的运行规则，创建符合自己的业务场景需

要的线程池，避免资源耗尽的风险。

必须为线程池中的线程，按照业务规则，进行命名。可以在创建线程池时，使用自定义线程工厂规范线程命名方式，避免线程使用默认名称。