Java多线程与线程池技术
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java多线程与线程池技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、序言
Java多线程编程线程池被广泛使用，甚至成为了标配。
线程池本质是池化技术的应用，和连接池类似，创建连接与关闭连接属于耗时操作，创建线程与销毁线程也属于重操作，为了提高效率，先提前创建好一批线程，当有需要使用线程时从线程池取出，用完后放回线程池，这样避免了频繁创建与销毁线程。
// 任务
Runnable runnable = () -> System.out.println(Thread.currentThread().getId());在应用中优先选用线程池执行异步任务，根据不同的场景选用不同的线程池，提高异步任务执行效率。
1、普通执行
new Thread(runnable).start();2、线程池执行
Executors.newSingleThreadExecutor().execute(runnable)二、线程池基础
（一）核心参数
1、核心参数
线程池的核心参数决定了池的类型，进而决定了池的特性。
| 参数 | 解释 | 行为 |
|---|---|---|
| corePoolSize | 核心线程数 | 池中长期维护的线程数量，不主动回收 |
| maximumPoolSize | 最大线程数 | 最大线程数大于等于核心线程数 |
| keepAliveTime | 线程最大空闲时间 | 非核心线程最大空闲时间，超时回收线程 |
| workQueue | 工作队列 | 工作队列直接决定线程池的类型 |
2、参数与池的关系
Executors类默认创建线程池与参数对应关系。
| 线程池 | corePoolSize | maximumPoolSize | keepAliveTime | workQueue |
|---|---|---|---|---|
| newCachedThreadPool | 0 | Integer.MAX_VALUE | 60 | SynchronousQueue |
| newSingleThreadExecutor | 1 | 1 | 0 | LinkedBlockingQueue |
| newFixedThreadPool | N | N | 0 | LinkedBlockingQueue |
| newScheduledThreadPool | N | Integer.MAX_VALUE | 0 | DelayedWorkQueue |
（二）线程池对比
根据使用场景选择对应的线程池。
1、通用对比
| 线程池 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| newCachedThreadPool | 超时未使用的线程回自动销毁，有新任务时自动创建 | 适用于低频、轻量级的任务。回收线程的目的是节约线程长时间空闲而占有的资源。 |
| newSingleThreadExecutor | 线程池中有且只有一个线程 | 顺序执行任务 |
| newFixedThreadPool | 线程池中有固定数量的线程，且一直存在 | 适用于高频的任务，即线程在大多数时间里都处于工作状态。 |
| newScheduledThreadPool | 定时线程池 | 与定时调度相关联 |
2、拓展对比
维护仅有一个线程的线程池有如下两种方式，正常使用的情况下，二者差异不大；复杂使用环境下，二者存在细微的差异。用newSingleThreadExecutor方式创建的线程池在任何时刻至多只有一个线程，因此可以理解为用异步的方式执行顺序任务；后者初始化的时候也只有一个线程，使用过程中可能会出现最大线程数超过1的情况，这时要求线性执行的任务会并行执行，业务逻辑可能会出现问题，与实际场景有关。
private final static ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
private final static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);（三）线程池原理
线程池主要处理流程，任务提交之后是怎么执行的。大致如下：
- 判断核心线程池是否已满，如果不是，则创建线程执行任务
- 如果核心线程池满了，判断队列是否满了，如果队列没满，将任务放在队列中
- 如果队列满了，则判断线程池是否已满，如果没满，创建线程执行任务
- 如果线程池也满了，则按照拒绝策略对任务进行处理
（四）提交任务的方式
往线程池中提交任务，主要有两种方法：提交无返回值的任务和提交有返回值的任务。
1、无返回值任务
execute用于提交不需要返回结果的任务。
public static void main(String[] args)
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
executor.execute(() -> System.out.println("hello"));
2、有返回值任务
submit()用于提交一个需要返回果的任务。
该方法返回一个Future对象，通过调用这个对象的get()方法，我们就能获得返回结果。get()方法会一直阻塞，直到返回结果返回。
我们也可以使用它的重载方法get(long timeout, TimeUnit unit)，这个方法也会阻塞，但是在超时时间内仍然没有返回结果时，将抛出异常TimeoutException。
public static void main(String[] args) throws Exception
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
Future<Long> future = executor.submit(() ->
System.out.println("task is executed");
return System.currentTimeMillis();
);
System.out.println("task execute time is: " + future.get());
（无）关闭线程池
在线程池使用完成之后，我们需要对线程池中的资源进行释放操作，这就涉及到关闭功能。我们可以调用线程池对象的shutdown()和shutdownNow()方法来关闭线程池。
这两个方法都是关闭操作，又有什么不同呢？
shutdown()会将线程池状态置为SHUTDOWN，不再接受新的任务，同时会等待线程池中已有的任务执行完成再结束。shutdownNow()会将线程池状态置为SHUTDOWN，对所有线程执行interrupt()操作，清空队列，并将队列中的任务返回回来。
另外，关闭线程池涉及到两个返回boolean的方法，isShutdown()和isTerminated，分别表示是否关闭和是否终止。
三、Executors
Executors是一个线程池工厂，提供了很多的工厂方法，我们来看看它大概能创建哪些线程池。
// 创建单一线程的线程池
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor();
// 创建固定数量的线程池
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads);
// 创建带缓存的线程池
public static ExecutorService newCachedThreadPool();
// 创建定时调度的线程池
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize);
// 创建流式（fork-join）线程池
public static ExecutorService newWorkStealingPool();1、创建单一线程的线程池
任何时候线程池中至多只有一个线程，当线程执行异常终止时会自动创建一个新线程替换。如果既有异步执行任务的需求又希望任务得以顺序执行，那么此类型线程池是首选。
若多个任务被提交到此线程池，那么会被缓存到队列。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理。
2、创建固定数量的线程池
创建核心线程与最大线程数相等的固定线程数的线程池，任何时刻至多有固定数目的线程，当线程因异常而终止时则会自动创建线程替换。
当有新任务加入时，如果池内线程均处于活跃状态，则任务进入等待队列中，直到有空闲线程，队列中的任务才会被顺序执行；如果池内有非活跃线程，则任务可以立刻得以执行。
- 如果线程的数量未达到指定数量，则创建线程来执行任务
- 如果线程池的数量达到了指定数量，并且有线程是空闲的，则取出空闲线程执行任务
- 如果没有线程是空闲的，则将任务缓存到队列（队列长度为
Integer.MAX_VALUE）。当线程空闲的时候，按照FIFO的方式进行处理
3、创建可伸缩的线程池
这种方式创建的线程池，核心线程池的长度为0，线程池最大长度为Integer.MAX_VALUE。由于本身使用SynchronousQueue作为等待队列的缘故，导致往队列里面每插入一个元素，必须等待另一个线程从这个队列删除一个元素。
- 线程池可维护0到Integer.MAX_VALUE个线程资源，空闲线程默认情况下超过60秒未使用则会被销毁，长期闲置的池占用较少的资源。
- 当有新任务加入时，如果池中有空闲且尚未销毁的线程，则将任务交给此线程执行；如果没有可用的线程，则创建一个新线程执行任务并添加到池中。
4、创建定时调度的线程池
和上面3个工厂方法返回的线程池类型有所不同，它返回的是ScheduledThreadPoolExecutor类型的线程池。平时我们实现定时调度功能的时候，可能更多的是使用第三方类库，比如：quartz等。但是对于更底层的功能，我们仍然需要了解。
四、手动创建线程池
理论上，我们可以通过Executors来创建线程池，这种方式非常简单。但正是因为简单，所以限制了线程池的功能。比如：无长度限制的队列，可能因为任务堆积导致OOM，这是非常严重的bug，应尽可能地避免。怎么避免？归根结底，还是需要我们通过更底层的方式来创建线程池。
抛开定时调度的线程池不管，我们看看ThreadPoolExecutor。它提供了好几个构造方法，但是最底层的构造方法却只有一个。那么，我们就从这个构造方法着手分析。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler);这个构造方法有7个参数，我们逐一来进行分析。
corePoolSize，线程池中的核心线程数maximumPoolSize，线程池中的最大线程数keepAliveTime，空闲时间，当线程池数量超过核心线程数时，多余的空闲线程存活的时间，即：这些线程多久被销毁。unit，空闲时间的单位，可以是毫秒、秒、分钟、小时和天，等等workQueue，等待队列，线程池中的线程数超过核心线程数时，任务将放在等待队列，它是一个BlockingQueue类型的对象threadFactory，线程工厂，我们可以使用它来创建一个线程handler，拒绝策略，当线程池和等待队列都满了之后，需要通过该对象的回调函数进行回调处理
这些参数里面，基本类型的参数都比较简单，我们不做进一步的分析。我们更关心的是workQueue、threadFactory和handler，接下来我们将进一步分析。
（一）等待队列-workQueue
等待队列是BlockingQueue类型的，理论上只要是它的子类，我们都可以用来作为等待队列。
同时，jdk内部自带一些阻塞队列，我们来看看大概有哪些。
ArrayBlockingQueue，队列是有界的，基于数组实现的阻塞队列LinkedBlockingQueue，队列可以有界，也可以无界。基于链表实现的阻塞队列SynchronousQueue，不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作将一直处于阻塞状态。该队列也是Executors.newCachedThreadPool()的默认队列PriorityBlockingQueue，带优先级的无界阻塞队列
通常情况下，我们需要指定阻塞队列的上界（比如1024）。另外，如果执行的任务很多，我们可能需要将任务进行分类，然后将不同分类的任务放到不同的线程池中执行。
（二）线程工厂-threadFactory
ThreadFactory是一个接口，只有一个方法。既然是线程工厂，那么我们就可以用它生产一个线程对象。来看看这个接口的定义。
public interface ThreadFactory
/**
* Constructs a new @code Thread. Implementations may also initialize
* priority, name, daemon status, @code ThreadGroup, etc.
*
* @param r a runnable to be executed by new thread instance
* @return constructed thread, or @code null if the request to
* create a thread is rejected
*/
Thread newThread(Runnable r);
Executors的实现使用了默认的线程工厂-DefaultThreadFactory。它的实现主要用于创建一个线程，线程的名字为pool-poolNum-thread-threadNum。
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;
很多时候，我们需要自定义线程名字。我们只需要自己实现ThreadFactory，用于创建特定场景的线程即可。
（三）拒绝策略-handler
所谓拒绝策略，就是当线程池满了、队列也满了的时候，我们对任务采取的措施。或者丢弃、或者执行、或者其他...
jdk自带4种拒绝策略，我们来看看。
CallerRunsPolicy// 在调用者线程执行AbortPolicy// 直接抛出RejectedExecutionException异常DiscardPolicy// 任务直接丢弃，不做任何处理DiscardOldestPolicy// 丢弃队列里最旧的那个任务，再尝试执行当前任务
这四种策略各有优劣，比较常用的是DiscardPolicy，但是这种策略有一个弊端就是任务执行的轨迹不会被记录下来。所以，我们往往需要实现自定义的拒绝策略， 通过实现RejectedExecutionHandler接口的方式。
五、其它
配置线程池的参数
前面我们讲到了手动创建线程池涉及到的几个参数，那么我们要如何设置这些参数才算是正确的应用呢？实际上，需要根据任务的特性来分析。
- 任务的性质：CPU密集型、IO密集型和混杂型
- 任务的优先级：高中低
- 任务执行的时间：长中短
- 任务的依赖性：是否依赖数据库或者其他系统资源
不同的性质的任务，我们采取的配置将有所不同。在《Java并发编程实践》中有相应的计算公式。
通常来说，如果任务属于CPU密集型，那么我们可以将线程池数量设置成CPU的个数，以减少线程切换带来的开销。如果任务属于IO密集型，我们可以将线程池数量设置得更多一些，比如CPU个数*2。
线程池监控
如果系统中大量用到了线程池，那么我们有必要对线程池进行监控。利用监控，我们能在问题出现前提前感知到，也可以根据监控信息来定位可能出现的问题。
那么我们可以监控哪些信息？又有哪些方法可用于我们的扩展支持呢？
首先，ThreadPoolExecutor自带了一些方法。
long getTaskCount()，获取已经执行或正在执行的任务数long getCompletedTaskCount()，获取已经执行的任务数int getLargestPoolSize()，获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过int getPoolSize()，获取线程池线程数int getActiveCount()，获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）
其次，ThreadPoolExecutor留给我们自行处理的方法有3个，它在ThreadPoolExecutor中为空实现（也就是什么都不做）。
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r)// 任务执行前被调用protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t)// 任务执行后被调用protected void terminated()// 线程池结束后被调用
六、总结
- 尽量使用手动的方式创建线程池，避免使用
Executors工厂类 - 根据场景，合理设置线程池的各个参数，包括线程池数量、队列、线程工厂和拒绝策略
以上是关于Java多线程与线程池技术的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章