【JavaEE】线程池和定时器

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✏️一.线程池

在Java中,线程池(Thread Pool)是一种用于管理并发线程的机制,它提供了一种创建、复用和管理一组线程的方法,这些线程可以用来执行提交的任务。线程池的使用可以显著提高程序的性能和响应能力,尤其是在处理大量并发任务时。Java的java.util.concurrent包提供了丰富的API来创建和管理线程池,其中最核心的接口是ExecutorService,以及其实现类ThreadPoolExecutor

创建

Java中线程池的创建主要通过Executors工厂类或直接使用ThreadPoolExecutor类来完成:

  1. 使用Executors工厂类

    • newSingleThreadExecutor():创建一个单线程的线程池,它只会创建一个线程来执行任务。
    • newFixedThreadPool(int nThreads):创建一个固定大小的线程池,线程数量由nThreads参数确定。
    • newCachedThreadPool():创建一个可缓存的线程池,线程数量没有上限,当长时间没有新任务时,空闲线程会被终止。
    • newScheduledThreadPool(int corePoolSize):创建一个可以安排任务的线程池,可以指定延迟执行任务或定期执行任务。
  2. 使用ThreadPoolExecutor

  • ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue):这是一个构造函数,可以自定义线程池的核心参数,如核心线程数、最大线程数、线程空闲时间、工作队列等。

使用

  1. 提交任务 :使用execute(Runnable command)submit(Callable<T> task)方法提交任务到线程池。
  2. 关闭线程池 :使用shutdown()方法关闭线程池,等待所有已提交的任务完成;使用shutdownNow()方法立即关闭线程池并尝试取消正在执行的任务。

举例

  • 使用Executors.newFixedThreadPool (5) 能创建出固定包含10个线程的线程池
  • 返回值类型为ExecutorService
  • 通过ExecutorService.submit可以注册一个任务到线程池中
java 复制代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService service= Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int id=i;
            service.submit(()->{
                System.out.println("执行任务"+id+";"+Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        // 最好不要立即就终止, 可能使任务还没执行完呢, 线程就被终止了.
        Thread.sleep(2000);

        // 关闭线程池
        service.shutdown();
        System.out.println("程序退出");
    }

线程池配置参数分析*

ThreadPoolExecutor 提供了更多的可选参数, 可以进⼀步细化线程池⾏为的设定

  1. 核心线程数-CorePoolSize

    • 参数名:corePoolSize
    • 描述:线程池中保持的线程的最少数量。即使线程池中没有任务需要执行,只要线程的数量不超过corePoolSize,线程池就不会销毁线程。这样可以保证线程池随时准备接收新的任务,而不需要频繁地创建和销毁线程。
  2. 最大线程数-MaximumPoolSize

    • 参数名:maximumPoolSize
    • 描述:线程池中允许的最大线程数量。当线程池中的活动线程数量达到maximumPoolSize后,线程池不会创建新的线程,而是将任务放入工作队列中等待执行。如果工作队列已满,线程池会采取拒绝策略处理新任务。
  3. 空闲线程存活时间-KeepAliveTime

    • 参数名:keepAliveTime
    • 描述:当线程池中的线程数量超过corePoolSize时,超出的线程会在没有任务可执行时等待的时间长度。如果在keepAliveTime时间内没有新任务到来,超出的线程将被终止。这有助于控制线程池的规模,避免在任务量减少时线程资源的浪费。
  4. 时间单位-Unit

    • 参数名:unit
    • 描述:配合keepAliveTime使用,指定空闲线程存活时间的单位,如毫秒、秒、分钟等。
  5. 工作队列-WorkQueue

    • 参数名:workQueue
    • 描述:用于存放等待执行的任务的阻塞队列。当线程池中的线程数量达到corePoolSize且所有线程都在执行任务时,后续到达的任务会被放置在工作队列中等待执行。常见的队列类型有ArrayBlockingQueue(有界队列)、LinkedBlockingQueue(有界或无界队列)、SynchronousQueue(不存储元素的队列)等。
  6. 拒绝策略-RejectedExecutionHandler

    • 参数名:handler
    • 描述:当线程池无法接受新任务时(即线程数量达到maximumPoolSize且工作队列已满)所采取的策略。

常见的拒绝策略

  • AbortPolicy:抛出RejectedExecutionException异常。
  • CallerRunsPolicy:由调用者线程执行该任务,即直接在调用execute方法的线程中执行任务。
  • DiscardPolicy:静默丢弃无法处理的任务。
  • DiscardOldestPolicy:丢弃队列中最老的任务,并尝试再次提交新任务。

模拟实现

  • 核心操作为submit,将任务加入线程池
  • 使用Runnable描述一个任务
  • 使用一个BlockingQueue组织所有任务
  • 不停从BlockingQueue中取任务并执行
java 复制代码
class MyThreadPool{
    private BlockingQueue<Runnable> queue=new ArrayBlockingQueue<>( 1000);

    public MyThreadPool(int n){//此处的n表示可以创建几个线程
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Thread t=new Thread(()->{
                while(true){
                    try {
                        Runnable runnable = queue.take();
                        runnable.run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });
            t.start();
        }
    }

    /**
     * 添加任务
     * @param runnable
     */
    public void submit(Runnable runnable){
        try{
            queue.put(runnable);
        }catch (InterruptedException e){
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

测试代码

java 复制代码
public static void main(String[] args) {
        MyThreadPool pool=new MyThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int id=i;
            pool.submit(()->{
                System.out.println("执行任务"+id+";"+Thread.currentThread().getName());
            });
        }
    }

测试结果

✒️二.定时器

在Java中,定时器(Timer)是一个重要的工具,用于执行定时任务,无论是单次的还是周期性的,类似于一个闹钟,到达一个设定的时间之后就会执行某个指定好的代码Java提供了多种方式来实现定时任务。

基本使用

其中最常用的是java.util.Timer类和java.util.concurrent.ScheduledExecutorService接口。下面将详细介绍这两种实现方式。

java.util.Timer

java.util.Timer 是一个简单的定时器类,它使用一个单独的守护线程来调度和执行任务。它通常与java.util.TimerTask一起使用,后者是java.util.Timer类的任务执行单元。

java 复制代码
public static void main(String[] args) {
        Timer timer=new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hello 3");
            }
        },3000);

        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hello 2");
            }
        },2000);

        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hello 1");
            }
        },1000);
    }

注意事项

  • 在使用定时器时,一定要处理好任务执行中可能出现的异常,否则守护线程可能因为异常而终止,导致定时器失效。
  • 确保在应用程序结束前正确地关闭定时器,避免线程泄露和资源浪费。
  • 考虑到线程安全和并发控制,ScheduledExecutorService在大多数情况下是更好的选择,尤其是当任务需要并发执行时。

模拟实现

java 复制代码
package demo;

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

/**
 * 模拟实现定时器
 */
class MyTimerTask implements Comparable<MyTimerTask> {
    private Runnable runnable;
    private long time;
    //此处的time是毫秒时间戳,表示这个任务具体啥时候执行

    public MyTimerTask (Runnable runnable,long delay){
        this.runnable=runnable;
        this.time=System.currentTimeMillis()+delay;
    }

    public void run(){
        runnable.run();
    }

    public long getTime(){
        return time;
    }

    @Override
    public int compareTo(MyTimerTask o) {
        // 此处这里的 - 的顺序, 就决定了这里是大堆还是小堆.
        // 此处需要小堆.
        return (int)(this.time-o.time);
    }
}

class MyTimer{
    private PriorityQueue<MyTimerTask> queue=new PriorityQueue<>();
    //如果用List不是最好的选择,在后续执行列表中任务时,需要依次遍历每个元素
    private Object locker=new Object();

    //创建线程,负责执行上述队列中的内容
    public MyTimer(){
        Thread t=new Thread(()->{
           try{
               while(true){
                   synchronized(locker){
                       while(queue.isEmpty()){
                           locker.wait();
                       }
                       MyTimerTask current=queue.peek();
                       if (System.currentTimeMillis()>=current.getTime()){
                           //执行该任务
                           current.run();
                           //将执行过的任务从队列中删除
                           queue.poll();
                       }else{
                           //暂且不执行
                           locker.wait(current.getTime()-System.currentTimeMillis());
                       }
                   }
               }
           }catch (InterruptedException e){
               throw new RuntimeException(e);
           }
        });
        t.start();
    }

    public void schedule(Runnable runnable,long delay){
        synchronized(locker){
            MyTimerTask current=new MyTimerTask(runnable,delay);
            queue.offer(current);
            locker.notify();
        }
    }


}

测试代码

java 复制代码
public static void main(String[] args) {
        MyTimer timer=new MyTimer();

        timer.schedule(()->{
            System.out.println("倒计时 2");
        },2000);

        timer.schedule(()->{
            System.out.println("倒计时 1");
        },3000);

        timer.schedule(()->{
            System.out.println("倒计时 3");
        },1000);
        //证明优先级队列的作用
    }

结果

🖋️三.总结与反思

在深入研究Java并发编程的过程中,线程池和定时器是两个不可或缺的概念。它们不仅体现了Java在处理并发和定时任务上的强大功能,也反映了现代软件工程中资源管理和效率优化的重要性。以下是我在学习这两个主题后的总结与反思。

线程池:高效资源管理的艺术

线程池,顾名思义,是一个预先创建好的线程集合,用于执行提交的任务。它通过复用现有线程,避免了线程创建和销毁的开销,从而提高了系统的响应速度和资源利用率。线程池的配置参数,如核心线程数、最大线程数、工作队列类型等,需要根据具体的应用场景和系统资源进行细致调整。合理配置的线程池能够显著提升并发任务的处理能力,减少资源浪费,是高性能服务器应用的基石。

在实际应用中,我深刻体会到线程池的配置需要平衡并发度与系统负载。过多的线程可能导致系统资源紧张,而过少的线程则可能无法充分利用系统资源。此外,线程池的管理,如任务的排队策略、异常处理、线程的生命周期管理等,也是实现高效、健壮系统的关键。

定时器:精准时间控制的利器

定时器则是在Java中执行定时任务的重要工具。无论是简单的java.util.Timer,还是更强大的java.util.concurrent.ScheduledExecutorService,它们都提供了执行周期性或一次性定时任务的能力。定时器的使用极大地丰富了Java在事件驱动、任务调度等方面的功能,是实现自动化运维、数据定时处理等场景的基础。

在使用定时器时,我注意到几个关键点:首先,选择合适的定时器类型至关重要。Timer简单易用,但ScheduledExecutorService提供了更高级的调度策略和更好的并发支持。其次,定时任务的异常处理不容忽视,否则可能导致任务执行失败而不被察觉。最后,正确关闭定时器,避免线程泄露,是编写健壮程序的必要步骤。

反思

通过学习和实践线程池与定时器,我深刻理解到并发编程的复杂性和魅力。在设计系统时,不仅要考虑功能的实现,还要兼顾性能、资源管理和错误处理。线程池和定时器的合理应用,能够显著提升软件的响应速度和稳定性,但同时也对程序员提出了更高的要求。

面向未来,随着云计算和分布式系统的普及,线程池和定时器的概念将更加重要。如何在分布式环境中高效、安全地管理线程和执行定时任务,将成为新一代软件工程师面临的新挑战。掌握线程池和定时器的原理及最佳实践,无疑将为迎接这些挑战打下坚实的基础。

总之,Java中的线程池和定时器不仅是编程技巧的体现,更是现代软件工程思想的反映。通过深入学习和不断实践,我期待能够将这些知识应用于更复杂的系统设计和开发中,创造出既高效又可靠的软件产品。

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以上,就是本期的全部内容啦,若有错误疏忽希望各位大佬及时指出💐

制作不易,希望能对各位提供微小的帮助,可否留下你免费的赞呢🌸

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