一文搞懂 java 线程池：基础知识

2024-07-01 本文已影响0人 shengjk1

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一、前言

前面我们几章我们一起聊了java多线程的一些基本知识以及java多线程间的通信。但往往在多线程开发中使用最多的不是这些原生的东西，而是线程池，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。今天我们就一起聊一下java线程池

二、线程池

2.1 线程池是什么？

顾名思义，线程池就是线程的池子，用来管理和复用线程。它可以在应用程序中有效地管理线程的生命周期、调度和执行。
线程池包含一组预先创建的线程，这些线程可以被动态分配给执行任务，从而避免了不断创建和销毁线程的开销。线程池通常用于执行大量的异步任务，提高多线程程序的性能和稳定性。

2.2 线程池优势

降低资源消耗：通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
提高响应速度：当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

2.3 线程池的分类

在 Java 中，线程池主要分为以下几类：

FixedThreadPool(固定大小线程池)：固定大小线程池中包含固定数量的线程，当有任务提交时，线程池中没有空闲线程时，任务会被放入任务队列中等待执行。这种线程池适用于需要限制并发线程数量的场景。
CachedThreadPool(缓存线程池)：缓存线程池不固定线程数量，可以根据需要自动创建新线程，当线程空闲时间超过设定的时间（默认60s）会被回收，适用于短期异步任务。
SingleThreadPool(单线程池)：单线程池只包含一个工作线程，保证所有任务按顺序执行。适用于需要保持任务顺序执行的场景。
ScheduledThreadPool(定时线程池)：这种线程池可以执行定时任务和周期性任务。它继承自ExecutorService，并通过 ScheduledExecutorService 接口提供定时任务功能。
WorkStealingPool(工作窃取线程池)：这是Java 8中引入的一种新类型的线程池，主要用于处理耗时任务。它适用于需要大量并行任务、任务之间没有依赖关系的情况。
CustomThreadPool(自定义线程池)：除了以上内置的线程池类型，开发人员也可以根据实际需求自定义线程池，通过配置线程池的参数来适应特定的业务场景。这些线程池类型允许开发人员根据不同的场景和需求选择适合的线程池，从而提高多线程程序的性能和效率。在实际应用中，根据任务的特性和线程池的负载情况选择适当的线程池类型非常重要。

2.4 线程池的使用

线程池分类中前4个基本上都是通过 ThreadPoolExecutor 来实现的，所以我们以 ThreadPoolExecutor 为例

2.4.1 ThreadPoolExecutor 创建

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

ThreadPoolExecutor 构造函数包含多个参数，每个参数都影响着线程池的行为。下面解释每个参数的作用以及如何使用：

corePoolSize：核心线程池大小，当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的核心线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于核心线程池大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程

作用：线程池中保持的最小线程数，即使线程是空闲的。
如何使用：这些线程在处理任务时不会被回收，除非设置了 allowCoreThreadTimeOut(true) 来允许核心线程在空闲时被回收。

maximumPoolSize：线程池的最大线程数

作用：线程池允许的最大线程数，包括核心线程和非核心线程。
如何使用：当任务队列已满且活动线程数小于最大线程数时，会创建新的线程。

keepAliveTime：线程空闲时间

作用：非核心线程的空闲时间超过这个值就会被回收。
如何使用：指定非核心线程空闲线程的最长存活时间。

unit：时间单位

作用：用于指定 keepAliveTime 的时间单位，可以是 TimeUnit.MILLISECONDS 等。
如何使用：配合 keepAliveTime 使用。

workQueue：任务队列

作用：用于保存等待执行的任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果
如何使用：选择合适的任务队列，例如 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue 等，以满足你的需求。

threadFactory：线程工厂

作用：用于创建新线程。用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字

handler：拒绝策略（RejectedExecutionHandler）

作用：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常
如何使用：可以选择使用预设的策略，如 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy（任务被拒绝时抛出异常）、ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy（只用调用者所在线程来运行任务）、ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy（丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务）、DiscardPolicy (不处理，丢弃掉)，或者也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

通过合理设置这些参数，可以根据具体场景和需求创建一个适合的线程池，提高程序的性能和效率。要根据具体的使用情况和需求来调整这些参数，以获得最佳的线程池性能。

2.4.2 向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。

executor.execute(() -> {
   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running...");
});

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

Future<String> future = executor.submit(() -> {
   System.out.println("Task is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
   return "Task Result";
});
try {
   // 获取任务的执行结果
   String result = future.get();
   System.out.println("Task result: " + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
   e.printStackTrace();
}

2.4.3 线程池关闭

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。
它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。

但是它们存在一定的区别，

shutdownNow将尝试立即关闭线程池，首先将线程池的状态设置成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，
shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程，等待所有正在执行的任务完成。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法

2.4.4 完整代码样例

public class CustomThreadPoolExecutorExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 自定义线程工厂
        ThreadFactory customThreadFactory = new CustomThreadFactory("CustomThread");

        // 创建 ThreadPoolExecutor，传入自定义的 ThreadFactory
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                2, // 核心线程数
                5, // 最大线程数
                10, // 线程空闲时间
                TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
                new ArrayBlockingQueue<>(10), // 任务队列
                customThreadFactory, // 自定义 ThreadFactory
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒绝策略
        );

        // 提交任务给线程池
        // 提交任务并获取 Future 对象
        Future<String> future = executor.submit(() -> {
            System.out.println("Task is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
            return "Task Result";
        });
        try {
            // 获取任务的执行结果
            String result = future.get();
            System.out.println("Task result: " + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        executor.execute(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running...");
        });

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
        // 等待线程池关闭
        try {
            if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                executor.shutdownNow();
                if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.err.println("线程池无法正常关闭");
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            executor.shutdownNow();
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    // 自定义线程工厂实现
    static class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {
        private final String threadNamePrefix;

        public CustomThreadFactory(String threadNamePrefix) {
            this.threadNamePrefix = threadNamePrefix;
        }

        @Override
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread thread = new Thread(r);
            thread.setName(threadNamePrefix + "-" + thread.getId());
            thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
            return thread;
        }
    }
}

2.5 如何合理的配置线程池

根据任务特征来配置线程池是非常重要的，不同类型的任务可能对线程池的需求有所不同。以下是根据任务特征来配置合理线程池的一些建议：

CPU密集型任务： - 对于大量的 CPU 密集型任务，应该配置较小的线程池，以充分利用 CPU 资源，避免线程之间频繁切换的开销。 - 可以采用固定大小的线程池，核心线程数设置为处理器数量，避免创建过多的线程。
IO密集型任务： - 对于涉及大量 IO 操作的任务，应该配置较大的线程池，以充分利用线程阻塞时间，提高系统整体的 IO 效率。 - 可以考虑使用带有队列的缓冲线程池，避免线程池中的线程过度增长。
长时间阻塞任务： - 针对长时间阻塞的任务，不宜使用较小的核心线程数，以免影响其他任务的执行。比如：依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU
短时任务： - 对于大量短时任务，可以使用缓存线程池，避免频繁创建和销毁线程，提高性能。 - 使用具有自动回收机制的线程池，可以根据需求动态调整线程池大小。
定时任务： - 对于定时任务，应该考虑使用支持定时任务执行的线程池，如 ScheduledThreadPoolExecutor。 - 设置合适的核心线程数和最大线程数，避免因任务过多导致调度延迟。
总的来说，根据任务特征来配置线程池需要结合任务的特点和系统的实际情况，合理选择核心线程数、最大线程数、任务队列类型、存活时间等参数，以提高系统性能、资源利用率和稳定性。不断监控线程池的运行情况，并根据实际需求及时调整配置，是保证线程池运行效率的关键。

2.6 线程池监控

可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性。

taskCount：线程池需要执行的任务数量。
completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
getActiveCount：获取活动的线程数。
-扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法。

2.7 其他

建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点儿

三、扩展

在HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU

四、总结

本文为Java多线程编程提供了全面的线程池指南，从基本概念到具体实现，再到优化配置和监控，帮助读者深入理解并有效运用线程池，以提升并发编程的性能和效率。