Java并发多线程编程——线程池的原理与使用
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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并发多线程编程——线程池的原理与使用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
一、线程池概述
1、线程池的理解
- 线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。
- 线程池线程都是后台线程。每个线程都使用默认的堆栈大小，以默认的优先级运行，并处于多线程单元中。
- 线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。
2、为什么使用线程池
- 提高程序的执行效率。避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。
- 控制线程的数量，防止程序崩溃。高并发情况下，如果有100万个线程，JVM就需要有保存100万个线程的空间，容易出现内存溢出。
3、线程池的优势
- 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，任务可以不需要的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，如果无限制的创建，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的分配，调优和监控。但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。
二、ThreadPoolExecutor 类中参数认识
1、ThreadPoolExecutor 类中构造参数如下图：
2、ThreadPoolExecutor 类中构造参数认识
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corePoolSize ：线程池的基本大小，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，即使其他空闲的基本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线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
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maximumPoolSize ：线程池最大大小，线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。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。
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keepAliveTime ：线程活动保持时间，线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
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TimeUnit ：线程活动保持时间的单位，可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
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workQueue ：任务对列，用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
（1）、ArrayBlockingQueue 是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
（2）、LinkedBlockingQueue 是一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出） 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
（3）、SynchronousQueue 是一个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，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
（4）、PriorityBlockingQueue是一个具有优先级得无限阻塞队列。 -
ThreadFactory ：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，Debug和定位问题时非常又帮助。
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handler（饱和策略）：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。可以选择以下几个策略。
（1）、CallerRunsPolicy ：只用调用者所在线程来运行任务。
（2）、DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
（3）、DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
（4）、当然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不能处理的任务。
3、ThreadPoolExecutor 类其他属性
// 线程池的控制状态:用来表示线程池的运行状态（整型的高3位）和
//运行的worker数量（低29位）
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29位的偏移量
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 最大容量（2^29 - 1）
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
//线程运行状态，总共有5个状态，需要3位来表示（所以偏移量的29 = 32 - 3）
/**
* RUNNING :接受新任务并且处理已经进入阻塞队列的任务
* SHUTDOWN：不接受新任务，但是处理已经进入阻塞队列的任务
* STOP: 不接受新任务，不处理已经进入阻塞队列的任务并且中断正在运行的任务
* TIDYING: 所有的任务都已经终止，workerCount为0， 线程转化为TIDYING状态并且调用terminated钩子函数
* TERMINATED:terminated钩子函数已经运行完成
**/
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;
// 阻塞队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
// 可重入锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
// 存放工作线程集合
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// 终止条件
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
// 最大线程池容量
private int largestPoolSize;
// 已完成任务数量
private long completedTaskCount;
// 线程工厂
private volatile ThreadFactory threadFactory;
// 拒绝执行处理器
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
// 线程等待运行时间
private volatile long keepAliveTime;
// 是否运行核心线程超时
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
// 核心池的大小
private volatile int corePoolSize;
// 最大线程池大小
private volatile int maximumPoolSize;
// 默认拒绝执行处理器
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =new AbortPolicy();
三、ThreadPoolExecutor 类中构造方法详解
1、ThreadPoolExecutor 类构造方法源码截图
2、ThreadPoolExecutor 类构造方法源码解析
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
/**
* corePoolSize < 0 核心大小不能小于0
* maximumPoolSize<= 0 线程池的初始最大容量不能小于0
* maximumPoolSize < corePoolSize 初始最大容量不能小于核心大小
* keepAliveTime < 0 keepAliveTime不能小于0
**/
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
/**
* workQueue == null 任务对列不能为空
* threadFactory == null 线程工厂不能为空
* handler == null 饱和策略不能为空
**/
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
// 初始化相应的域
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
四、ThreadPoolExecutor 类中提交任务方法详解
1、ThreadPoolExecutor 类中提交任务方法源码截图
2、ThreadPoolExecutor 类中提交任务方法解析
/*
* 进行下面三步
*
* 1. 如果运行的线程小于corePoolSize,则尝试使用用户定义的Runnalbe对象创建一个新的线程
* 调用addWorker函数会原子性的检查runState和workCount，通过返回false来防止在不应
* 该添加线程时添加了线程
* 2. 如果一个任务能够成功入队列，在添加一个线城时仍需要进行双重检查（因为在前一次检查后
* 该线程死亡了），或者当进入到此方法时，线程池已经shutdown了，所以需要再次检查状态，
* 若有必要，当停止时还需要回滚入队列操作，或者当线程池没有线程时需要创建一个新线程
* 3. 如果无法入队列，那么需要增加一个新线程，如果此操作失败，那么就意味着线程池已经shut
* down或者已经饱和了，所以拒绝任务
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();// 获取线程池控制状态
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {// worker数量小于corePoolSize
if (addWorker(command, true))// 添加worker
return; // 成功则返回
c = ctl.get(); // 不成功则再次获取线程池控制状态
}
// 线程池处于RUNNING状态，将用户自定义的Runnable对象添加进workQueue队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get(); // 再次检查，获取线程池控制状态
// 线程池不处于RUNNING状态，将自定义任务从workQueue队列中移除
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command); // 拒绝执行命令
else if (workerCountOf(recheck) == 0)// worker数量等于0
addWorker(null, false);// 添加worker
}
else if (!addWorker(command, false))// 添加worker失败
reject(command); // 拒绝执行命令
}
五、创建一个线程池并提交线程任务示例
1、示例（使用默认的AbortPolicy饱和策略）
-
代码
java package com.xz.thread.threadPool; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; import java.util.concurrent.TimeUnit; /** * @description: * @author: xz * @create: 2021-06-21 21:26 */ public class Demo { public static void main(String[] args) { //创建线程池 ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(10,20, 10, TimeUnit.DAYS,new ArrayBlockingQueue<>(10)); //创建100个线程，并放到到线程池中 for(int i=1;i<=100;i++){ pool.execute(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName()); } }); } } } -
输出结果如下
-
报错原因
（1）、如上图报RejectedExecutionException这个异常，是因为涉及到饱和策略；
（2）、RejectedExecutionHandler（饱和策略）：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。
2、示例（使用DiscardOldestPolicy饱和策略）
- 代码
package com.xz.thread.threadPool;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* @description:
* @author: xz
* @create: 2021-06-21 21:46
*/
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池,并使用DiscardOldestPolicy饱和策略
ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(10,20,
10, TimeUnit.DAYS,new ArrayBlockingQueue<>(10),new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
//创建100个线程，并放到到线程池中
for(int i=1;i<=100;i++){
pool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
});
}
}
}
- 输出结果如下,报错消失
以上是关于Java并发多线程编程——线程池的原理与使用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
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并发编程系列：Java线程池的使用方式，核心运行原理以及注意事项
Java多线程系列：线程的五大状态，以及线程之间的通信与协作