一文搞懂 java 线程池：SingleThreadExecutor 和 CachedThreadPool 原理

shengjk12024-07-03 14:28

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一、前言

上一章节我们详解介绍了ThreadPoolExecutor 和 FixedThreadPool 的原理以及应用场景，本章我们继续介绍 SingleThreadExecutor 和 CachedThreadPool

二、线程池

2.1 SingleThreadExecutor

2.1.1 SingleThreadExecutor 简介

SingleThreadExecutor是使用单个线程的线程池，源码实现

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

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。

其他参数与FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同。

2.1.2 SingleThreadExecutor 的 execute 方法原理

  1. 如果当前运行的线程数少于corePoolSize（即线程池中无运行的线程），则创建一个新线程来执行任务。
  2. 在线程池完成预热之后（当前线程池中有一个运行的线程），将任务加入LinkedBlockingQueue。
  3. 线程执行完1中的任务后，会在一个无限循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。

2.1.3 为什么需要 SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor 是一个只有单一工作线程的 Executor，它可以有效地处理需要顺序执行的一系列任务，以及需要在线程之间保持顺序的场景。虽然看上去似乎可以直接使用单一线程来完成相同工作，但 SingleThreadExecutor 提供了一些额外的优势和适用性：

  1. 线程生命周期管理：SingleThreadExecutor 管理着单一工作线程的生命周期，当有任务需要执行时，会创建线程；任务执行完毕后线程不会立即销毁，而是保留在线程池中等待下一个任务。这样可以避免频繁地创建和销毁线程带来的开销。
  2. 顺序执行：SingleThreadExecutor 保证任务按照提交的顺序依次执行，不会产生并发访问的问题。这对一些要求顺序执行的任务非常重要。
  3. 线程鲁棒性：由于 SingleThreadExecutor 只有一个线程，可以减少并发问题的复杂性，特别是在数据共享和状态管理方面，避免了多线程同时访问共享资源带来的同步和竞争问题。
  4. 易于调试：在 SingleThreadExecutor 中，由于只有一个线程在执行任务，当任务出现问题时容易进行调试和定位。
  5. 任务队列管理：SingleThreadExecutor 中的任务可以被放入队列中等待执行，可以有效管理任务的执行顺序和流量控制。
  6. 适用性：对于某些场景，需要保证任务的顺序执行和结果一致性的情况下，

SingleThreadExecutor 提供了一个简单且高效的解决方案。 尽管在简单情况下直接使用单一线程可能够用，但 SingleThreadExecutor 提供了更多的控制和管理能力，特别是在复杂或者需要顺序执行的情况下，它能够更好地满足这些需求并提供更好的可维护性和性能。因此，SingleThreadExecutor 在一些特定场景下是非常有价值的。

2.1.4 单线程能够替代 SingleThreadExecutor 吗

在某些情况下，使用单线程可能可以替代 SingleThreadExecutor，但在其他情况下，SingleThreadExecutor 提供的管理功能和灵活性仍然是有价值的。下面是一些关键点来比较单线程和 SingleThreadExecutor 的替代性：

单线程的优势和适用性：

  1. 简单性：单线程相对简单，没有线程管理的复杂性，适用于一些简单的任务执行场景。
  2. 资源开销：如果任务较简单且不需要额外的线程管理，则单线程可以节省资源开销。
  3. 顺序执行：单线程天然是顺序执行的，适合于一些需要顺序执行的任务。

何时可以考虑单线程替代 SingleThreadExecutor：

  • 简单任务：处理简单的任务且不需要线程池的额外功能时，单线程可以代替 SingleThreadExecutor。
  • 顺序执行：如果任务需要按照提交顺序依次执行，单线程可以胜任这种情况。

SingleThreadExecutor 的优势和适用性：

  1. 任务队列：SingleThreadExecutor 可以使用任务队列管理任务，确保任务按照顺序执行。
  2. 任务管理：单线程池可以更好地管理任务的执行，避免因任务耗时或异常导致整个系统被阻塞。
  3. 线程复用：SingleThreadExecutor 可以复用线程，减少线程创建销毁的开销。
  4. 异常处理：线程池可以提供更好的异常处理机制，避免因为异常导致整个进程崩溃。

何时适合使用 SingleThreadExecutor：

  • 复杂任务：对于复杂的任务管理和执行场景，使用 SingleThreadExecutor 可以更好地控制任务的执行和管理。
  • 任务队列管理：需要使用任务队列管理并控制任务执行顺序时，SingleThreadExecutor 更适合。

总的来说，单线程可以在一些简单的、不需要额外线程管理功能的情况下替代 SingleThreadExecutor。然而，当需要更多的灵活性、管理功能和高级特性时，SingleThreadExecutor 仍然是更好的选择，特别是在需要任务队列管理、异常处理、资源控制等方面的场景中。

2.1.5 SingleThreadExecutor 使用场景

SingleThreadExecutor 是一个只有一个工作线程的线程池，它保证所有提交的任务都是顺序执行的。这种线程池的使用场景通常适合以下情况：

  1. 顺序执行任务： 当需要确保所有任务按照提交的顺序依次执行时，可以使用 SingleThreadExecutor。这样可以避免多线程情况下可能出现的并发问题，保证任务的顺序性。
  2. 适用于后台任务： 如果有一些需要按顺序执行的后台任务，例如日志记录、定时执行的任务等，可以通过 SingleThreadExecutor 来实现。
  3. 资源共享的情况： 在一些资源共享的场景下，如读取共享的数据或操作共享的资源，使用单线程可以简化同步和控制，并且避免资源争用。
  4. 保证任务之间不受影响： 某些任务可能会造成阻塞，如果其他任务不能受到这种影响，可以使用单线程来确保这种情况。
  5. 任务处理较快： 当任务处理速度较快，且需要按照特定顺序执行时，使用 SingleThreadExecutor 不会引入多线程开销，保持了简单性和可靠性。

总的来说，SingleThreadExecutor 在需要控制串行执行和避免并发问题的场景下非常有用。它提供了针对这种需求的简单且可靠的解决方案。

2.2 CachedThreadPool

2.2.1 CachedThreadPool 简介

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。下面是创建CachedThreadPool的源代码。

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

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0，即corePool为空；maximumPoolSize被设置为 Integer.MAX_VALUE，即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L，意味着 CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，空闲线程超过60秒后将会被 终止。

FixedThreadPool和SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的 工作队列。CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列，但 CachedThreadPool的maximumPool是无界的。这意味着，如果主线程提交任务的速度高于 maximumPool中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下， CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源

2.2.2 CachedThreadPool的execute()方法原理

  1. 首先执行SynchronousQueue.offer（Runnable task）。如果当前maximumPool中有空闲线程 正在执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS），那么主线程执行 offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，execute()方 法执行完成；否则执行下面的步骤2

  2. 当初始maximumPool为空，或者maximumPool中当前没有空闲线程时，将没有线程执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这种情况下，步骤1）将失 败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务

  3. 在步骤 2 中新创建的线程将任务执行完后，会执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务（主线程执 行步骤1），那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。由于 空闲60秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。

2.2.3 CachedThreadPool优缺点和应用场景

CachedThreadPool 是 Java 中线程池的一种实现，其优缺点和使用场景如下：

优点：

  1. 动态调整线程数量：
    • CachedThreadPool 可根据需要动态创建和回收线程，适合短生命周期的异步任务，避免长时间维持多余线程造成资源浪费。
  2. 灵活性：
    • 可以根据需求自动调整线程池的大小，避免过载或资源浪费。
  3. 高效利用资源：
    • 可以重复利用线程，避免线程创建和销毁的开销。

缺点：

  1. 线程数无限增长：
    • CachedThreadPool 可以无限制地创建新线程，当任务数量过多时可能导致大量线程同时运行，增加系统负担。
  2. 缺乏控制：
    • 由于线程数量动态调整，缺乏对线程数量的精确控制，可能导致系统资源被过度占用。
  3. 可能会造成资源消耗过多：
    • 对于一些长时间执行、密集计算的任务，可能会出现因为创建过多线程而消耗过多系统资源的情况。

使用场景：

  1. 短期生命周期的任务 ：
    • 适用于短时间执行的任务，能够减少线程的创建和销毁开销。
  2. 系统负载较低：
    • 当系统负载较低、且任务需要较快响应时，可以使用 CachedThreadPool 以提高任务执行效率。
  3. 短暂且并发度高的情况：
    • 例如，处理短时间的请求或多个独立小任务时，CachedThreadPool 能够动态调整线程数量，提高并发度。

总的来说，CachedThreadPool 适合处理大量短生命周期、异步并发任务的场景，能够高效地管理线程资源，但需要注意控制任务的数量，避免过度占用系统资源。

2.3 扩展

SynchronousQueue 是 Java 中的一个特殊类型的队列实现，它是一个没有存储元素的阻塞队列。在 SynchronousQueue 中，每个插入操作必须等待另一个线程进行对应的删除操作，反之亦然。这意味着在 SynchronousQueue 中，生产者线程和消费者线程必须同时准备好，否则操作无法执行，这种特性使其成为一种高效的线程间通信工具。

以下是关于 SynchronousQueue 的一些详细解释：

  1. 特性 ：

    • SynchronousQueue 是一种零容量的队列，插入元素和移除元素必须同时发生。
    • 插入操作（put）必须等待另一个线程尝试删除元素（take）。
    • 同样，删除操作（take）必须等待另一个线程尝试插入元素（put）。

  2. 使用场景 ：

    • 主要用于线程之间的直接交互，特别是在生产者和消费者要同步的时候使用。
    • 当生产者线程和消费者线程必须同时准备好才能执行操作时，可以使用 SynchronousQueue。

  3. 工作原理 ：

    • 当生产者试图将元素放入队列时（通过 put 方法），它会等待，直到有另一个线程尝试从队列中获取元素（通过 take 方法）。
    • 当消费者试图从队列中获取元素时（通过 take 方法），它会等待，直到有另一个线程尝试将元素放入队列（通过 put 方法）。

  4. 代码示例 ：

    java 复制代码 
    SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();

new Thread(() -> {
    try {
        Integer element = 1;
        queue.put(element);
        System.out.println("Produced: " + element);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}).start();

new Thread(() -> {
    try {
        Integer element = queue.take();
        System.out.println("Consumed: " + element);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}).start();

在上述代码示例中，一个线程在放入元素到 SynchronousQueue 中，而另一个线程则从中获取元素，它们必须同时准备好才能完成交互操作。

总的来说，SynchronousQueue 是一个在多线程并发操作中非常有用的同步机制，适合需要严格控制生产者和消费者之间协同的情况。

三、总结

SingleThreadExecutor 和 CachedThreadPool 是 Java 中两种重要的线程池实现。SingleThreadExecutor 适用于需要顺序执行任务和保持任务之间顺序性的场景，提供了线程生命周期管理、顺序执行、线程鲁棒性、易于调试和任务队列管理等功能。CachedThreadPool 适用于处理短生命周期的异步任务，能够动态调整线程数量以应对任务量的变化，但需要注意控制任务的数量，避免过度占用系统资源。

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