多线程学习02：线程池

java 多线程
计算机基础
发布日期:   2022-06-28
文章字数:   2.2k
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线程池（Thread Pool）

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的工具。线程过多会带来额外的开销，其中包括创建销毁线程的开销、调度线程的开销等等，同时也降低了计算机的整体性能。线程池维护多个线程，等待监督管理者分配可并发执行的任务。这种做法，一方面避免了处理任务时创建销毁线程开销的代价，另一方面避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题，保证了对内核的充分利用。

一、Java中常用的四种线程池

在Java中使用线程池，可以用ThreadPoolExecutor的构造函数直接创建出线程池实例。不过，在Executors类中，为我们提供了常用线程池的创建方法。接下来我们就来了解常用的四种：newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor

newFixedThreadPool

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。创建方法：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

从构造方法可以看出，它创建了一个固定大小的线程池，每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大值nThreads。线程池的大小一旦达到最大值后，再有新的任务提交时则放入**无界阻塞队列**中，等到有线程空闲时，再从队列中取出任务继续执行。
如何使用newFixedThreadPool？示例代码如下：

package test;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);  
          for (int i = 0; i < 12; i++) {  
               final int index = i;  
               fixedThreadPool.execute(new Runnable() {  
                public void run() {  
                     try {  
                          System.out.println(index);  
                          Thread.sleep(3000);  
                     } catch (InterruptedException e) {  
                          e.printStackTrace();  
                     }	  
                }  
               });
          }  
     }  
}

线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 3秒，所以每三秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()

newCachedThreadPool

看一下这种线程池的创建方法：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

从构造方法可以看出，它创建了一个可缓存的线程池。当有新的任务提交时，有空闲线程则直接处理任务，没有空闲线程则创建新的线程处理任务，队列中不储存任务。线程池不对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。如果线程空闲时间超过了60秒就会被回收。

使用线程池可以带来一系列好处：

  • 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
  • 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
  • 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，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。
  • 提供更多更强大的功能：线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。
public class OneMoreStudy {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int index = i;
            cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        try {
                        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
                        System.out.println("运行时间: " + sdf.format(new Date()) + " " + index);
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
        cachedThreadPool.shutdown();
    }
}

因为这种线程有新的任务提交，就会创建新的线程（线程池中没有空闲线程时），不需要等待，所以提交的5个任务的运行时间是一样的，运行结果如下：

运行时间: 08:45:18 2
运行时间: 08:45:18 1
运行时间: 08:45:18 3
运行时间: 08:45:18 4
运行时间: 08:45:18 0

newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。看一下这种线程池的创建方法：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

从构造方法可以看出，它创建了一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序执行。

public class OneMoreStudy {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
        final int index = i;
        singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
                        System.out.println("运行时间: " + sdf.format(new Date()) + " " + index);
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }});
        }
        singleThreadExecutor.shutdown();
    }
}

因为该线程池类似于单线程执行，所以先执行完前一个任务后，再顺序执行下一个任务，
运行结果如下：

运行时间: 08:54:17 0
运行时间: 08:54:19 1
运行时间: 08:54:21 2
运行时间: 08:54:23 3
运行时间: 08:54:25 4

既然类似于单线程执行，那么这种线程池还有存在的必要吗？这里的单线程执行指的是线程池内部，从线程池外的角度看，主线程在提交任务到线程池时并没有阻塞，仍然是异步的。

newScheduledThreadPool

这个方法创建了一个固定大小的线程池，支持定时及周期性任务执行。
首先看一下定时执行的例子：

public class OneMoreStudy {
    public static void main(String[] args) {
        final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);
        System.out.println("提交时间: " + sdf.format(new Date()));
        scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("运行时间: " + sdf.format(new Date()));
                }
            }, 3, TimeUnit.SECONDS);
        scheduledThreadPool.shutdown();
    }
}

使用该线程池的schedule方法，延迟3秒钟后执行任务，运行结果如下：

提交时间: 09:11:39
运行时间: 09:11:42

定期执行示例代码如下：

public class ThreadPoolExecutorTest {  
public static void main(String[] args) {  
    ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);  
    scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {  
           public void run() {  
        System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");  
           }  
      }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);  
 }  
}

表示延迟1秒后每3秒执行一次。

二、线程池总体设计

Java中的线程池核心实现类是ThreadPoolExecutor。我们首先来看一下ThreadPoolExecutor的UML类图，了解下ThreadPoolExecutor的继承关系。

图1 ThreadPoolExecutor UML类图

ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor，顶层接口Executor提供了一种思想：将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程，如何调度线程来执行任务，用户只需提供Runnable对象，将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中，由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分。

ExecutorService接口增加了一些能力：（1）扩充执行任务的能力，补充可以为一个或一批异步任务生成Future的方法；（2）提供了管控线程池的方法，比如停止线程池的运行。

AbstractExecutorService则是上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。

最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分，ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期，另一方面同时管理线程和任务，使两者良好的结合从而执行并行任务。

ThreadPoolExecutor运行机制

图2 ThreadPoolExecutor运行流程

线程池在内部实际上构建了一个生产者消费者模型，将线程和任务两者解耦，并不直接关联，从而良好的缓冲任务，复用线程。线程池的运行主要分成两部分：任务管理、线程管理。任务管理部分充当生产者的角色，当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转：

（1）直接申请线程执行该任务；

（2）缓冲到队列中等待线程执行；

（3）拒绝该任务。

线程管理部分是消费者，它们被统一维护在线程池内，根据任务请求进行线程的分配，当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。

接下来，我们会按照以下三个部分去详细讲解线程池运行机制：

  1. 线程池如何维护自身状态。
  2. 线程池如何管理任务。
  3. 线程池如何管理线程。

未完待耕~~~

参考博文

https://www.cnblogs.com/heihaozi/p/11741735.html

https://blog.csdn.net/u012426959/article/details/78795784

https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html

文章作者: 银色回廊
文章链接: https://silvercorridors.cf/2022/06/28/multithread02/
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