【JAVA多线程】线程池概论

1.概述

2.ThreadPoolExector

2.1.参数

1.概述

线程池的核心：

线程池的实现原理是个标准的生产消费者模型，调用方不停向线程池中写数据，线程池中的线程组不停从队列中取任务。

通过上图不难发现实现线程池需要考虑的几个核心因素：

线程的个数
队列的长度
队列满后，后面来的线程如何处理

线程的个数：

线程的个数是不是固定的？还是说能弹性扩容？

在JDK的实现里选择的策略是线程个数是能根据负载来弹性扩容的，负载压力大的时候扩容，压力降下来后收缩回去。

队列的长度：

用来存线程这个队列的长度太小了可能会不够用，要是没有限制又可能导致机器的物理内存耗尽，所以最好的方式就是给这个队列一个初始化的长度，然后允许这个队列动态扩容。

队列满后，后面来的任务如何处理：

队列满了之后新来的任务如何处理？也就是拒绝策略，关于这个拒绝策略，是直接拒绝丢弃掉？还是把队列中的老任务丢弃掉给它让位置？还是说不走线程池，直接新开一条线程来执行？

继承体系：

可以看到顶级父接口提供了规范标准，真正干活儿的实现类只有ThreadPoolExcutor和ScheduleThreadPoolExecutor。

本文主要以ThreadPoolExcutor为切入聊一下线程池的核心概念，由于ScheduleThreadPoolExecutor主要是用来做延迟任务和周期任务的，以它为切入来聊线程池的核心概念并不是那么合适，后面会有文章专门聊一聊JDK基于线程池打造的一整套延迟任务、周期任务、异步任务等，这些任务调度体系。

2.ThreadPoolExector

2.1.参数

java 复制代码

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService{
    private final AtomicInteger ctl;//状态变量
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;//任务队列
    private final ReentrantLock mainLock;//用于保证线程池中各变量之间的互斥
    private final HashSet<ThreadPoolExecutor.Worker> workers;//线程组
}
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
        final Thread thread;//被封装的线程
        Runnable firstTask;//worker收到的第一个任务
        volatile long completedTasks;//worker执行完毕的任务数
}

线程池的核心参数为

corePoolSize：在线程池中始终维护的线程个数.
maxPoolSize：在corePooSize已满、队列也满的情况下，扩充线程至此值。
keepAliveTime/TimeUnit：maxPoolSize 中的空闲线程，销毁所需要的时间，总线程数收缩回corePoolSize。
blockingQueue：线程池所用的队列类型。
threadFactory：线程创建工厂，可以自定义，也有一个默认的。线程池中的线程就是由它来维护。
RejectedExecutionHandler：corePoolSize 已满，队列已满，maxPoolSize 已满，最后的拒绝策略。

java 复制代码

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

2.2.任务提交流程

先一句话总结：

线程能执行就直接执行，否则就去队列中排队。

注意下面说的新开线程不是指新开一条线程，而是交给线程池里的线程来执行。

接下来是细节：

入口在ThreadPoolExector.execute(Runnable command)

java 复制代码

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();

        int c = ctl.get();
        //如果当前线程组中的线程数量小于核心线程数，直接执行该任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        //如果当前线程组中的线程数量大于等于核心线程数，将该任务放入队列中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //放入队列失败，再尝试新开一个线程来执行该任务
        else if (!addWorker(command, false))
            //这时候再失败意味着线程组数量已经大于maxPoolSize且任务队列已满，直接执行拒绝策略
            reject(command);
    }

2.3.任务执行过程

先一句话总结：

线程执行当前任务或者去队列中拿任务。

接下来是细节：

前面的提交过程可以看到任务要么被放到队列中去排队，要么直接调用addWorker封装成Worker类去执行任务，所以任务执行的核心就在Worker的内部。

Worker的run方法会调用runWorker方法，这个方法就是整个ThreadPoolExector最核心的方法，下面我们剔除不相关的代码，来看看整个过程，放心，很简洁好读。

java 复制代码

public void run() {
    runWorker(this);
}

java 复制代码

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {//循环去队列中取任务,直到有任务为止
                w.lock();
                try {
                    try {
                        task.run();//执行任务
                    } catch (RuntimeException x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Error x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Throwable x) {
                        thrown = x; throw new Error(x);
                    } 
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);//worker退出
        }
    }

2.4.拒绝策略

ThreadPoolExector一共提供了四种拒绝策略：

AbortPolicy，默认拒绝策略，直接抛出异常。
CallerRunsPolicy，让任务在调用者的线程中执行，线程池不对任务做处理。
DiscardPolicy，线程池直接把任务丢弃掉，就当什么都没有发生。
DiscardOldestPolicy，把队列中最老的任务删掉，将新任务放入队列。

2.5.任务如何交给线程执行

上面聊了线程池的核心，还有另一个实现上的关键点可能需要聊一聊，就是如何将任务交给线程执行？

其实很简单，实现Runnable接口，然后每个任务重新run方法。执行任务就是调用run方法。

要将这个任务交给线程，就是将这个Runanable交给线程：

2.6.代码示例

在使用线程池的时候并不需要我们手动去创建，JDK中有工具类来帮我们创建各种线程池，这个工具类只是包了一层，其底层还是创建的我们上面聊的这些线程池的实现类，以下是代码示例：

java 复制代码

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolExamples {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 固定大小的线程池示例
        fixedThreadPoolExample();

        // 单线程线程池示例
        singleThreadExecutorExample();

        // 缓存线程池示例
        cachedThreadPoolExample();

        // 定时线程池示例
        scheduledThreadPoolExample();
    }

    /**
     * 创建一个固定大小的线程池，该线程池中的线程数量固定，不会因为任务的增加而增加新的线程。
     */
    private static void fixedThreadPoolExample() {
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5); // 创建一个包含5个线程的线程池

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            fixedThreadPool.execute(() -> {
                System.out.println("FixedThreadPool: Task ID " + taskId + " is running by " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("FixedThreadPool: Task ID " + taskId + " finished by " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        fixedThreadPool.shutdown(); // 关闭线程池
        try {
            fixedThreadPool.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 创建一个单线程线程池，所有的任务都将在同一个线程中依次执行。
     */
    private static void singleThreadExecutorExample() {
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 创建一个单线程的线程池

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            singleThreadExecutor.execute(() -> {
                System.out.println("SingleThreadExecutor: Task ID " + taskId + " is running by " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("SingleThreadExecutor: Task ID " + taskId + " finished by " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        singleThreadExecutor.shutdown(); // 关闭线程池
        try {
            singleThreadExecutor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 创建一个缓存线程池，该线程池会根据需要创建新线程，但会在线程闲置后回收线程。
     */
    private static void cachedThreadPoolExample() {
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool(); // 创建一个缓存线程池

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            cachedThreadPool.execute(() -> {
                System.out.println("CachedThreadPool: Task ID " + taskId + " is running by " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("CachedThreadPool: Task ID " + taskId + " finished by " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        cachedThreadPool.shutdown(); // 关闭线程池
        try {
            cachedThreadPool.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 创建一个定时线程池，可以安排任务在指定时间执行，或定期执行任务。
     */
    private static void scheduledThreadPoolExample() {
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5); // 创建一个包含5个线程的定时线程池

        Runnable task = () -> System.out.println("ScheduledThreadPool: Task executed at: " + System.currentTimeMillis());

        // 安排在1秒后执行一次，然后每隔2秒重复执行
        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(task, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);

        try {
            Thread.sleep(10000); // 主线程休眠10秒，以便观察任务执行情况
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        scheduledThreadPool.shutdown(); // 关闭线程池
    }
}