Java 多线程：彻底搞懂线程池

淡淡的烟草味﹌ 2021-12-11 23:17 262阅读 0赞

熟悉 Java 多线程编程的同学都知道，当我们线程创建过多时，容易引发内存溢出，因此我们就有必要使用线程池的技术了。

**目录**

1 线程池的优势

2 线程池的使用

3 线程池的工作原理

4 线程池的参数

4.1 任务队列（workQueue）

4.2 线程工厂（threadFactory）

4.3 拒绝策略（handler）

5 功能线程池

5.1 定长线程池（FixedThreadPool）

5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool ）

5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool）

5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor）

5.5 对比

6 总结

参考

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# 1 线程池的优势 #

总体来说，线程池有如下的优势：

（1）**降低资源消耗**。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

（2）**提高响应速度**。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。

（3）**提高线程的可管理性**。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

# 2 线程池的使用 #

线程池的真正实现类是 **ThreadPoolExecutor**，其构造方法有如下4种：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }
    
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
    }
    
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler);
    }
    
    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.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

可以看到，其需要如下几个参数：

*  **corePoolSize**（必需）：核心线程数。默认情况下，核心线程会一直存活，但是当将 **allowCoreThreadTimeout **设置为 true 时，核心线程也会超时回收。
 *  **maximumPoolSize**（必需）：线程池所能容纳的最大线程数。当活跃线程数达到该数值后，后续的新任务将会阻塞。
 *  **keepAliveTime**（必需）：线程闲置超时时长。如果超过该时长，非核心线程就会被回收。如果将 **allowCoreThreadTimeout **设置为 true 时，核心线程也会超时回收。
 *  **unit**（必需）：指定 keepAliveTime 参数的时间单位。常用的有：**TimeUnit.MILLISECONDS**（毫秒）、**TimeUnit.SECONDS**（秒）、**TimeUnit.MINUTES**（分）。
 *  **workQueue**（必需）：任务队列。通过线程池的 execute() 方法提交的 Runnable 对象将存储在该参数中。其采用阻塞队列实现。
 *  **threadFactory**（可选）：线程工厂。用于指定为线程池创建新线程的方式。
 *  **handler**（可选）：拒绝策略。当达到最大线程数时需要执行的饱和策略。

线程池的使用流程如下：

// 创建线程池
    ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
                                                 MAXIMUM_POOL_SIZE,
                                                 KEEP_ALIVE,
                                                 TimeUnit.SECONDS,
                                                 sPoolWorkQueue,
                                                 sThreadFactory);
    // 向线程池提交任务
    threadPool.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            ... // 线程执行的任务
        }
    });
    // 关闭线程池
    threadPool.shutdown(); // 设置线程池的状态为SHUTDOWN，然后中断所有没有正在执行任务的线程
    threadPool.shutdownNow(); // 设置线程池的状态为 STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表

# 3 线程池的工作原理 #

下面来描述一下线程池工作的原理，同时对上面的参数有一个更深的了解。其工作原理流程图如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9qaW1teXN1bi5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

通过上图，相信大家已经对所有参数有个了解了。下面再对任务队列、线程工厂和拒绝策略做更多的说明。

# 4 线程池的参数 #

## 4.1 任务队列（workQueue） ##

任务队列是基于阻塞队列实现的，即采用生产者消费者模式，在 Java 中需要实现 **BlockingQueue **接口。但 Java 已经为我们提供了 7 种阻塞队列的实现：

1.  **ArrayBlockingQueue**：一个由数组结构组成的有界阻塞队列（数组结构可配合指针实现一个环形队列）。
2.  **LinkedBlockingQueue**： 一个由链表结构组成的有界阻塞队列，在未指明容量时，容量默认为 **Integer.MAX\_VALUE**。
3.  **PriorityBlockingQueue**： 一个支持优先级排序的无界阻塞队列，对元素没有要求，可以实现 **Comparable **接口也可以提供 Comparator 来对队列中的元素进行比较。跟时间没有任何关系，仅仅是按照优先级取任务。
4.  **DelayQueue**：类似于**PriorityBlockingQueue**，是二叉堆实现的无界优先级阻塞队列。要求元素都实现 **Delayed **接口，通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。
5.  **SynchronousQueue**： 一个不存储元素的阻塞队列，消费者线程调用 take() 方法的时候就会发生阻塞，直到有一个生产者线程生产了一个元素，消费者线程就可以拿到这个元素并返回；生产者线程调用 put() 方法的时候也会发生阻塞，直到有一个消费者线程消费了一个元素，生产者才会返回。
6.  **LinkedBlockingDeque**： 使用双向队列实现的有界双端阻塞队列。双端意味着可以像普通队列一样 FIFO（先进先出），也可以像栈一样 FILO（先进后出）。
7.  **LinkedTransferQueue**： 它是**ConcurrentLinkedQueue**、**LinkedBlockingQueue **和 **SynchronousQueue **的结合体，但是把它用在 ThreadPoolExecutor 中，和 **LinkedBlockingQueue **行为一致，但是是无界的阻塞队列。

注意有界队列和无界队列的区别：如果使用有界队列，当队列饱和时并超过最大线程数时就会执行拒绝策略；而如果使用无界队列，因为任务队列永远都可以添加任务，所以设置 maximumPoolSize 没有任何意义。

## 4.2 线程工厂（threadFactory） ##

线程工厂指定创建线程的方式，需要实现 **ThreadFactory **接口，并实现 **newThread(Runnable r) **方法。该参数可以不用指定，Executors 框架已经为我们实现了一个默认的线程工厂：

/**
     * The default thread factory.
     */
    private static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
        private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
        private final ThreadGroup group;
        private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
        private final String namePrefix;
    
        DefaultThreadFactory() {
            SecurityManager s = System.getSecurityManager();
            group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                                  Thread.currentThread().getThreadGroup();
            namePrefix = "pool-" +
                          poolNumber.getAndIncrement() +
                         "-thread-";
        }
    
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread t = new Thread(group, r,
                                  namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                                  0);
            if (t.isDaemon())
                t.setDaemon(false);
            if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
                t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
            return t;
        }
    }

## 4.3 拒绝策略（handler） ##

当线程池的线程数达到最大线程数时，需要执行拒绝策略。拒绝策略需要实现 **RejectedExecutionHandler **接口，并实现 **rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) **方法。不过 Executors 框架已经为我们实现了 4 种拒绝策略：

1.  **AbortPolicy（默认）**：丢弃任务并抛出 **RejectedExecutionException **异常。
2.  **CallerRunsPolicy**：由调用线程处理该任务。
3.  **DiscardPolicy**：丢弃任务，但是不抛出异常。可以配合这种模式进行自定义的处理方式。
4.  **DiscardOldestPolicy**：丢弃队列最早的未处理任务，然后重新尝试执行任务。

# 5 功能线程池 #

嫌上面使用线程池的方法太麻烦？其实Executors已经为我们封装好了 4 种常见的功能线程池，如下：

*  定长线程池（FixedThreadPool）
 *  定时线程池（ScheduledThreadPool ）
 *  可缓存线程池（CachedThreadPool）
 *  单线程化线程池（SingleThreadExecutor）

## 5.1 定长线程池（FixedThreadPool） ##

创建方法的源码：

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

*  **特点**：只有核心线程，线程数量固定，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
 *  **应用场景**：控制线程最大并发数。

使用示例：

// 1. 创建定长线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为3
    ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
    Runnable task =new Runnable(){
      public void run() {
         System.out.println("执行任务啦");
      }
    };
    // 3. 向线程池提交任务
    fixedThreadPool.execute(task);

## 5.2 定时线程池（ScheduledThreadPool ） ##

创建方法的源码：

private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;
    
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }
    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
              DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }
    
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
            int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }
    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       ThreadFactory threadFactory) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
              DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
    }

*  **特点**：核心线程数量固定，非核心线程数量无限，执行完闲置 10ms 后回收，任务队列为延时阻塞队列。
 *  **应用场景**：执行定时或周期性的任务。

使用示例：

// 1. 创建 定时线程池对象 & 设置线程池线程数量固定为5
    ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
    // 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
    Runnable task =new Runnable(){
      public void run() {
         System.out.println("执行任务啦");
      }
    };
    // 3. 向线程池提交任务
    scheduledThreadPool.schedule(task, 1, TimeUnit.SECONDS); // 延迟1s后执行任务
    scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(task,10,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);// 延迟10ms后、每隔1000ms执行任务

## 5.3 可缓存线程池（CachedThreadPool） ##

创建方法的源码：

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

*  **特点**：无核心线程，非核心线程数量无限，执行完闲置 60s 后回收，任务队列为不存储元素的阻塞队列。
 *  **应用场景**：执行大量、耗时少的任务。

使用示例：

// 1. 创建可缓存线程池对象
    ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
    // 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
    Runnable task =new Runnable(){
      public void run() {
         System.out.println("执行任务啦");
      }
    };
    // 3. 向线程池提交任务
    cachedThreadPool.execute(task);

## 5.4 单线程化线程池（SingleThreadExecutor） ##

创建方法的源码：

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

*  **特点**：只有 1 个核心线程，无非核心线程，执行完立即回收，任务队列为链表结构的有界队列。
 *  **应用场景**：不适合并发但可能引起 IO 阻塞性及影响 UI 线程响应的操作，如数据库操作、文件操作等。

使用示例：

// 1. 创建单线程化线程池
    ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
    // 2. 创建好Runnable类线程对象 & 需执行的任务
    Runnable task =new Runnable(){
      public void run() {
         System.out.println("执行任务啦");
      }
    };
    // 3. 向线程池提交任务
    singleThreadExecutor.execute(task);

## 5.5 对比 ##

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# 6 总结 #

Executors 的 4 个功能线程池虽然方便，但现在已经不建议使用了，而是建议直接通过使用 ThreadPoolExecutor 的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

其实 Executors 的 4 个功能线程有如下弊端：

*  **FixedThreadPool **和 **SingleThreadExecutor**：主要问题是堆积的请求处理队列均采用 **LinkedBlockingQueue**，可能会耗费非常大的内存，甚至 OOM。
 *  **CachedThreadPool **和 **ScheduledThreadPool**：主要问题是线程数最大数是 **Integer.MAX\_VALUE**，可能会创建数量非常多的线程，甚至 OOM。

# 参考 #

*  [Android多线程：线程池 ThreadPool 全面解析][Android_ ThreadPool]
 *  [还在用 Executors 创建线程池？小心内存溢出][Executors]
 *  《阿里巴巴 java 开发手册》

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9qaW1teXN1bi5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211211/faea0d32cbea4ab99fd3c496aa3c2de8.png
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[Android_ ThreadPool]: https://www.jianshu.com/p/0e4a5e70bf0e
[Executors]: https://www.jianshu.com/p/6f52d29fc140