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【Java并发编程系列7】线程池基本知识
主要讲解Java线程池的基础知识。
前言
目前书籍《Java并发编程实战》看到“第7章:取消与关闭”，里面涉及到部分线程池的内容，然后第8章就是线程池，所以打算把之前看的线程池的资料再整理一下，便于后面能更好理解书中的内容。
之前看过一篇博客，关于线程池的内容讲解的非常好，我只截取基础知识部分，把Java基础内容全部掌握后，再对里面的原理部分进行深入理解，后面会附上该篇博客的链接。
初识线程池
我们知道，线程的创建和销毁都需要映射到操作系统，因此其代价是比较高昂的。出于避免频繁创建、销毁线程以及方便线程管理的需要，线程池应运而生。
线程池优势
降低资源消耗：线程池通常会维护一些线程（数量为 corePoolSize），这些线程被重复使用来执行不同的任务，任务完成后不会销毁。在待处理任务量很大的时候，通过对线程资源的复用，避免了线程的频繁创建与销毁，从而降低了系统资源消耗。 提高响应速度：由于线程池维护了一批 alive 状态的线程，当任务到达时，不需要再创建线程，而是直接由这些线程去执行任务，从而减少了任务的等待时间。 提高线程的可管理性：使用线程池可以对线程进行统一的分配，调优和监控。
线程池设计思路
有句话叫做艺术来源于生活，编程语言也是如此，很多设计思想能映射到日常生活中，比如面向对象思想、封装、继承，等等。今天我们要说的线程池，它同样可以在现实世界找到对应的实体——工厂。先假想一个工厂的生产流程：
工厂中有固定的一批工人，称为正式工人，工厂接收的订单由这些工人去完成。当订单增加，正式工人已经忙不过来了，工厂会将生产原料暂时堆积在仓库中，等有空闲的工人时再处理（因为工人空闲了也不会主动处理仓库中的生产任务，所以需要调度员实时调度）。仓库堆积满了后，订单还在增加怎么办？工厂只能临时扩招一批工人来应对生产高峰，而这批工人高峰结束后是要清退的，所以称为临时工。当时临时工也招满后（受限于工位限制，临时工数量有上限），后面的订单只能忍痛拒绝了。我们做如下一番映射：
工厂——线程池 订单——任务（Runnable） 正式工人——核心线程 临时工——普通线程 仓库——任务队列 调度员——getTask()
getTask()是一个方法，将任务队列中的任务调度给空闲线程。
映射后，形成线程池流程图如下，两者是不是有异曲同工之妙？
点评一下：感觉作者的这个类比，太TM经典了！！！直接抓住了线程调用的精髓。这就是为什么看书时不能只盯着书看，可能你看半天都不懂书中讲的啥，找一篇经典的博客，瞬间给你拨开云雾，而且还印象深刻。
这样，线程池的工作原理或者说流程就很好理解了，提炼成一个简图：
深入线程池
那么接下来，问题来了，线程池是具体如何实现这套工作机制的呢？从Java线程池Executor框架体系可以看出：线程池的真正实现类是ThreadPoolExecutor，因此我们接下来重点研究这个类。
构造方法
研究一个类，先从它的构造方法开始。ThreadPoolExecutor提供了4个有参构造方法：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
感觉构造方法有点多，其实前面的基础参数都是一样的，就后面两个可选参数“线程工厂”和“拒绝策略”不一样，组合一下就是2*2=4种情况。
解释一下构造方法中涉及到的参数：
corePoolSize（必需）：核心线程数。即池中一直保持存活的线程数，即使这些线程处于空闲。但是将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后，核心线程处于空闲一段时间以上，也会被回收。 maximumPoolSize（必需）：池中允许的最大线程数。当核心线程全部繁忙且任务队列打满之后，线程池会临时追加线程，直到总线程数达到maximumPoolSize这个上限。 keepAliveTime（必需）：线程空闲超时时间。当非核心线程处于空闲状态的时间超过这个时间后，该线程将被回收。将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后，核心线程也会被回收。 unit（必需）：keepAliveTime参数的时间单位。有：TimeUnit.DAYS（天）、TimeUnit.HOURS（小时）、TimeUnit.MINUTES（分钟）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.MICROSECONDS（微秒）、TimeUnit.NANOSECONDS（纳秒） workQueue（必需）：任务队列，采用阻塞队列实现。当核心线程全部繁忙时，后续由execute方法提交的Runnable将存放在任务队列中，等待被线程处理。 threadFactory（可选）：线程工厂。指定线程池创建线程的方式。 handler（可选）：拒绝策略。当线程池中线程数达到maximumPoolSize且workQueue打满时，后续提交的任务将被拒绝，handler可以指定用什么方式拒绝任务。
了解完“线程的设计思路”，再看构造方法的这些参数，感觉就非常容易懂了。
任务队列
使用ThreadPoolExecutor需要指定一个实现了BlockingQueue接口的任务等待队列。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中，一共推荐了三种等待队列：
SynchronousQueue：同步队列。这是一个内部没有任何容量的阻塞队列，任何一次插入操作的元素都要等待相对的删除/读取操作，否则进行插入操作的线程就要一直等待，反之亦然。 LinkedBlockingQueue：无界队列（严格来说并非无界，上限是Integer.MAX_VALUE），基于链表结构。使用无界队列后，当核心线程都繁忙时，后续任务可以无限加入队列，因此线程池中线程数不会超过核心线程数。这种队列可以提高线程池吞吐量，但代价是牺牲内存空间，甚至会导致内存溢出。另外，使用它时可以指定容量，这样它也就是一种有界队列了。 ArrayBlockingQueue：有界队列，基于数组实现。在线程池初始化时，指定队列的容量，后续无法再调整。这种有界队列有利于防止资源耗尽，但可能更难调整和控制。
另外，Java还提供了另外4种队列：
PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列。存放在PriorityBlockingQueue中的元素必须实现Comparable接口，这样才能通过实现compareTo()方法进行排序。优先级最高的元素将始终排在队列的头部；PriorityBlockingQueue不会保证优先级一样的元素的排序，也不保证当前队列中除了优先级最高的元素以外的元素，随时处于正确排序的位置。 DelayQueue：延迟队列。基于二叉堆实现，同时具备：无界队列、阻塞队列、优先队列的特征。DelayQueue延迟队列中存放的对象，必须是实现Delayed接口的类对象。通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。更多内容请见DelayQueue。 LinkedBlockingDeque：双端队列。基于链表实现，既可以从尾部插入/取出元素，还可以从头部插入元素/取出元素。 LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列。这个队列比较特别的时，采用一种预占模式，意思就是消费者线程取元素时，如果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，那就生成一个节点（节点元素为null）入队，然后消费者线程被等待在这个节点上，后面生产者线程入队时发现有一个元素为null的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素。
感觉这提供的队列有些多啊，总共7个！说实话，我现在还不知道实际场景用哪个比较好，后面我们可以看看Java封装好的线程池，里面用的队列都是哪种。
拒绝策略
线程池有一个重要的机制：拒绝策略。当线程池workQueue已满且无法再创建新线程池时，就要拒绝后续任务了。拒绝策略需要实现RejectedExecutionHandler接口，不过Executors框架已经为我们实现了4种拒绝策略：
AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 CallerRunsPolicy：直接运行这个任务的run方法，但并非是由线程池的线程处理，而是交由任务的调用线程处理。 DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出任何异常。 DiscardOldestPolicy：将当前处于等待队列列头的等待任务强行取出，然后再试图将当前被拒绝的任务提交到线程池执行。
线程工厂指定创建线程的方式，这个参数不是必选项，Executors类已经为我们非常贴心地提供了一个默认的线程工厂：
/**
* The default thread factory
*/
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}
线程池状态
线程池有5种状态：
volatile int runState;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
runState表示当前线程池的状态，它是一个 volatile 变量用来保证线程之间的可见性。
下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值，有以下几个状态：
RUNNING：当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态； SHUTDOWN：如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕； STOP：如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务； TERMINATED：当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。
初始化&容量调整&关闭
线程初始化
默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。
在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：
prestartCoreThread()：boolean prestartCoreThread()，初始化一个核心线程 prestartAllCoreThreads()：int prestartAllCoreThreads()，初始化所有核心线程，并返回初始化的线程数
public boolean prestartCoreThread() {
return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null
}
public int prestartAllCoreThreads() {
int n = 0;
while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null
++n;
return n;
}
线程池关闭
ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭：
shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务 shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
线程池容量调整
ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：
setCorePoolSize：设置核心池大小 setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小 当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。
使用线程池
ThreadPoolExecutor
通过构造方法使用ThreadPoolExecutor是线程池最直接的使用方式，下面看一个实例：
public class ThreadPoolExecutorTest {
public static void main(String args[]) {
// 创建线程池(核心线程数是3，最大线程数是5，超时时间是5秒)
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(3,5,5, TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
// 向线程池提交任务
for (int i = 0; i < threadPool.getCorePoolSize(); i++) {
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 2; j++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
}
// 关闭线程池
threadPool.shutdown(); // 设置线程池的状态为SHUTDOWN，然后中断所有没有正在执行任务的线程
// threadPool.shutdownNow(); // 设置线程池的状态为STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，该方法要慎用，容易造成不可控的后果
}
}
// 输出：
// pool-1-thread-1:0
// pool-1-thread-3:0
// pool-1-thread-2:0
// pool-1-thread-2:1
// pool-1-thread-1:1
// pool-1-thread-3:1
Executors封装线程池
另外，Executors封装好了4种常见的功能线程池（还是那么地贴心）：
FixedThreadPool
固定容量线程池。其特点是最大线程数就是核心线程数，意味着线程池只能创建核心线程，keepAliveTime为0，即线程执行完任务立即回收。任务队列未指定容量，代表使用默认值Integer.MAX_VALUE。适用于需要控制并发线程的场景。
// 使用默认线程工厂
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
// 需要自定义线程工厂
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
threadFactory);
}
使用示例：
public class FixedThreadPoolTest {
public static void main(String args[]) {
// 创建线程池对象，设置核心线程和最大线程数为5
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running.");
try {
Thread.sleep(10000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("Throw Exception.");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " after sleep, is still running.");
}
});
//fixedThreadPool.shutdown();
fixedThreadPool.shutdownNow(); // 不建议这样使用，很危险，这里仅用于测试
}
}
// 输出：
// pool-1-thread-1 is running.
// Throw Exception.
// pool-1-thread-1 after sleep, is still running.
// java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
// at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
// at com.java.parallel.pool.FixedThreadPoolTest$1.run(FixedThreadPoolTest.java:15)
// at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
// at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
// at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
作者的这个示例，我加了一点料，我就想看看直接中断会是什么效果，结果发现直接中断后，线程直接抛出异常，我捕获异常后，输出了一些结果。正常情况下，捕获异常是需要做一些处理，我这里仅作测试。
SingleThreadExecutor
单线程线程池。特点是线程池中只有一个线程（核心线程），线程执行完任务立即回收，使用有界阻塞队列（容量未指定，使用默认值Integer.MAX_VALUE）
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
// 为节省篇幅，省略了自定义线程工厂方式的源码
使用示例：
public class SingleThreadExecutorTest {
public static void main(String args[]) {
// 创建线程池对象，设置核心线程和最大线程数为1
ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
singleThreadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running.");
}
});
singleThreadPool.shutdown();
}
}
// 输出：
// pool-1-thread-1 is running.
ScheduledThreadPool
定时线程池。指定核心线程数量，普通线程数量无限，线程执行完任务立即回收，任务队列为延时阻塞队列。这是一个比较特别的线程池，适用于执行定时或周期性的任务。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
// 继承了 ThreadPoolExecutor
public class ScheduledThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor
implements ScheduledExecutorService {
// 构造函数，省略了自定义线程工厂的构造函数
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}
// 延时执行任务
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
long delay,
TimeUnit unit) {
...
}
// 定时执行任务
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
long initialDelay,
long period,
TimeUnit unit) {...}
}
使用示例：
public class ScheduledThreadPoolTest {
public static void main(String args[]) {
// 创建定时线程池
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
// 向线程池提交任务
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable(){
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->运行");
}
}, 5, TimeUnit.SECONDS); // 延迟5s后执行任务
scheduledThreadPool.shutdown();
}
}
// 输出：
// pool-1-thread-1--->运行
CachedThreadPool
缓存线程池。没有核心线程，普通线程数量为Integer.MAX_VALUE（可以理解为无限），线程闲置60s后回收，任务队列使用SynchronousQueue这种无容量的同步队列。适用于任务量大但耗时低的场景。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
使用示例：
public class CachedThreadPoolTest {
public static void main(String args[]) {
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
cachedThreadPool.execute(new Runnable(){
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->运行");
}
});
cachedThreadPool.shutdown();
}
}
// 输出：
// pool-1-thread-1--->运行
最后总结一下Executors封装线程池，每种方式用的是哪种队列：
固定容量线程池FixedThreadPool：LinkedBlockingQueue无界队列 单线程线程池SingleThreadExecutor：LinkedBlockingQueue无界队列 定时线程池ScheduledThreadPool：DelayQueue延迟队列 缓存线程池CachedThreadPool：SynchronousQueue同步队列
稍微解读一下：
FixedThreadPool：构造函数的keepAliveTime=0，然后核心线程个数和最大线程个数都限制死了，所以虽然用的是LinkedBlockingQueue无界队列，但是其实不会用到无界的特性，其实是当有界来用。 SingleThreadExecutor：核心线程和最大线程都是1，keepAliveTime=0，这个也是拿LinkedBlockingQueue无界队列当有界队列使用。 ScheduledThreadPool：因为需要延时，这个使用DelayQueue延迟队列就没有任何毛病。 CachedThreadPool：没有核心线程，普通线程设置成最大值，用的SynchronousQueue没有任何容量，这个不太理解，后面再研究一下。
总结
这篇文章其实是我刚开始接触线程池时找到了，感觉非常经典，刚好现在需要系统学习Java并发编程，就把这篇文章重新整理一下，然后有些地方加入自己的解读，希望对大家有所帮助。
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