Java多线程案例之线程池

Posted 2023-03-05 愿荣

文章目录

• 一. 线程池概述
• • 1. 什么是线程池
  • 2. Java标准库提供的线程池
• 二. 线程池的简单实现

一. 线程池概述

1. 什么是线程池

线程池和和字符串常量池, 数据库连接池一样, 都是为了提高程序的运行效率, 减少开销; 随着并发程度的提高, 当我们去频繁的创建和销毁线程, 此时程序的开销还是挺大的, 为了进一步提高效率, 就引入了线程池, 程序中所创建的线程都会加载到一个 “池子” 中, 当程序需要使用线程的时候, 可以直接从池里面获取, 用完了就将线程还给池, 这样在多线程的环境中就不用去重复的创建和销毁线程, 从而使程序的运行效率提高, 线程池是管理线程的方式之一.

🎯那为什么从线程池中“拿”线程会比直接创建线程要更加高效呢?

这是因为创建线程和销毁线程, 是交由操作系统内核完成的, 而我们使用线程池调度线程是在用户态实现的(用户代码中就能实现的,不必交给内核操作);

如果将任务交给内核态, 就需要通过系统调用, 让内核来执行任务, 但此时你不清楚内核身上背负着多少任务(内核不是只给一个应用程序服务, 是要给所有的程序都提供服务), 当使用系统调用, 执行内核代码的时候, 无法确定内核都要做哪些工作, 整体过程"不可控"的;

相比于内核来说, 用户态, 程序执行的行为是可控的, 用户态只去完成你所指定的任务, 效率更高, 开销更小.

2. Java标准库提供的线程池

Java中提供了线程池相关的标准类ThreadPoolExecutor, 也被称作多线程执行器, 该类中的线程包括两类, 一类是核心线程, 另一类是非核心线程, 当核心线程都被占用还不能满足程序任务执行的需求时, 就会启用非核心线程, 直到任务量少了, 随之非核心线程也就会销毁.

jdk8中提供了4个构造方法, 这里主要介绍和理解参数最多的那一个构造方法, 其他构造方法只是基于这里的减少了参数而已.

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

为了便于理解这里参数之间的关系, 我们使用生活中的例子来类比理解, 假设这里有一家公司:

1. corePoolSize表示核心线程数, 公司的正式员工.

• 🎯那核心线程数最合适值是多少呢? 假设CPU有N核心, 最适核心线程数是N? 是2N? 是1.5N? 只要你能够说出一个具体的数, 那就错了, 最适的核心线程数要视情况和业务场景而定, 没有一个绝对的标准的值.

2. maximumPoolSize表示最大线程数，就是核心线程数与非核心线程数之和, 公司的正式员工和请来的零时工(非核心线程), 现有的工作正式工干不完时, 就会招来零时工帮忙干活.
3. keepAliveTime非核心线程最长等待新任务的时间, 超过此时间, 该线程就会被销毁; 就是相当于零时工最长摸鱼时间, 公司里面是不养闲人的, 零时工长时间没有工作干就会被辞退了, 整体的策略, 正式员工保底, 临时工动态调节.
4. unit上面参数的时间单位.
5. workQueue线程池的任务队列(阻塞队列), 通过submit方法将任务注册到该队列中.
6. threadFactory线程工厂, 线程创建的方案.
7. handler拒绝策略, 描述了当线程池任务队列满了, 如果继续添加任务会以什么样的方式处理.

在Java标准库中提供了4个拒绝策略, 如下:

Modifier and Type	Class and Description
static class	ThreadPoolExecutor.AbortPolicy 如果任务太多, 队列满了, 直接抛出异常RejectedExecutionException .
static class	ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy 如果任务太多, 队列满了, 多出来的任务, 谁加的, 谁负责执行.
static class	ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy 如果任务太多, 队列满了, 丢弃最旧的未处理的任务.
static class	ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy 如果任务太多, 队列满了, 丢弃多出来的任务.

下面的是其他的几个构造方法:

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

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

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

使用线程池时, 往往使用的是ExecutorServerce,ExecutorServerce是ThreadPoolExecutor所实现的一个接口, 其中最重要的一个方法是submit方法, 这个方法能够将任务交给线程池去执行.

下面列出一些常见的创建线程池的方法:

import java.util.concurrent.*;

public class TestDemo 

    public static void main(String[] args) 
        //创建一个固定数量的线程池
        // 1. 创建一个操作无界队列且固定大小线程池
        ExecutorService pool1 = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //线程池中线程的数量是动态变化的
        // 2. 用来处理大量短时间工作任务的线程池,如果池中没有可用的线程将创建新的线程，如果线程空闲60秒将收回并移出缓存
        ExecutorService pool2 = Executors.newCachedThreadPool();

        //线程池中只有一个线程
        // 3. 创建一个操作无界队列且只有一个工作线程的线程池
        ExecutorService pool3 = Executors.newSingleThreadExecutor();

        //线程池中只有一个线程+定时器功能
        // 4. 创建一个单线程执行器，可以在给定时间后执行或定期执行。
        ExecutorService pool4 = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(Executors.defaultThreadFactory());

        //创建一个固定数量的线程池+定时器功能
        // 5. 创建一个指定大小的线程池，可以在给定时间后执行或定期执行。
        ExecutorService pool5 = Executors.newScheduledThreadPool(3, Executors.defaultThreadFactory());

        // 6. 创建一个指定大小（不传入参数，为当前机器CPU核心数）的线程池，并行地处理任务，不保证处理顺序
        ExecutorService pool6 = Executors.newWorkStealingPool();

        // 7. 自定义线程池
        ExecutorService pool7 = new ThreadPoolExecutor(3,
                10,
                10000,
                TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    
    

观察上面代码中前6种创建方式, 都是使用Executors(线程池的工具类)调用一个方法返回一个对象来创建线程池对象, 与第7种直接new对象的方式不同, 通过前6种方式创建出来的线程池, 本质上也是通过包装ThreadPoolExecutor来实现出来的.

这种使用普通方法(一般是静态的)代替构造方法创建对象的思想就是 “工厂模式”, 我们称这样的方法为 “工厂方法”, 相当于是把new操作隐藏在了方法里面, 提供这个工厂方法的类, 称为 “工厂类”, “工厂模式” 也是 “设计模式” 的一种.

使用示例:

下面的代码中要注意lambda表达式变量捕获的问题.

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestDemo22 
    public static void main(String[] args) 
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) 
            int n = i;//注意变量捕获
            pool.submit(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    System.out.println("hello" + n);
                
            );
            Thread.sleep(200);
        
    

执行结果:

二. 线程池的简单实现

这里简单实现一个固定数量的线程池, 包含以下内容:

• 任务, 可以直接使用Runnable实现.
• 组织任务的数据结构, 使用阻塞队列BlockingQueue<Runnable>即可.
• 若干个工作线程, 工作线程要通过一个循环不断的从阻塞队列中获取任务.
• 注册任务的方法submit, 将任务添加到阻塞队列当中.

代码实现:

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

class MyThreadPool 
    //使用阻塞队列来保存任务
    private BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    //这里创建出若干个工作线程,n表示线程的数量
    public MyThreadPool(int n) 
        for (int i = 0; i < n; i++) 
            Thread t = new Thread(() -> 
                while (!Thread.interrupted()) 
                    try 
                        Runnable runnable = queue.take();
                        runnable.run();
                     catch (InterruptedException e) 
                        throw new RuntimeException(e);
                    
                
            );
            t.start();
        
    

    //注册任务给线程池
    public void submit(Runnable runnable) 
        try 
            queue.put(runnable);
         catch (InterruptedException e) 
            throw new RuntimeException(e);
        
    

下面来测试一下这里实现的线程池:

public class TestDemo24 
    public static void main(String[] args) 
        //创建10个线程
        MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 20; i++) 
            int n = i;//注意变量捕获的问题
            pool.submit(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    System.out.println("hello" + n);
                
            );
        
    

执行结果:

由于操作系统的随机调度, 这里的执行顺序是不固定的.