jdk自带线程池详解

系统管理员 2022-06-12 09:39 270阅读 0赞

一、前言

在最近做的一个项目中，需要大量的使用到多线程和线程池，下面就[Java][]自带的线程池和大家一起分享。

二、简介

多线程技术主要解决处理器单元内多个线程执行的问题，它可以显著减少处理器单元的闲置时间，增加处理器单元的吞吐能力，但频繁的创建线程的开销是很大的，那么如何来减少这部分的开销了，那么就要考虑使用线程池了。线程池就是一个线程的容器，每次只执行额定数量的线程，线程池就是用来管理这些额定数量的线程。

三、涉及线程池的类结构图

![Center][]

其中供我们使用的，主要是ThreadPoolExecutor类。

四、如何创建线程池

我们创建线程池一般有以下几种方法：

1、使用Executors工厂类

Executors主要提供了下面几种创建线程池的方法：

![Center 1][]

下面来看下使用示例：

1)newFixedThreadPool(固定大小的线程池)

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class FixedThreadPool \{
2.  public static void main(String\[\] args) \{
3.  ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);// 创建一个固定大小为5的线程池
4.  for (int i = 0; i < 10; i++) \{
5.  pool.submit(new MyThread());
6.  \}
7.  pool.shutdown();
8.  \}
9.  \}

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class MyThread extends Thread \{
2.  @Override
3.  public void run() \{
4.  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在执行。。。");
5.  \}
6.  \}

[测试][Link 1]结果如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
2.  pool-1\-thread-2正在执行。。。
3.  pool-1\-thread-3正在执行。。。
4.  pool-1\-thread-2正在执行。。。
5.  pool-1\-thread-3正在执行。。。
6.  pool-1\-thread-2正在执行。。。
7.  pool-1\-thread-2正在执行。。。
8.  pool-1\-thread-3正在执行。。。
9.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
10. pool-1\-thread-4正在执行。。。

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大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程线。

2)newSingleThreadExecutor(单线程的线程池)

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class SingleThreadPool \{
2.  public static void main(String\[\] args) \{
3.  ExecutorService pool=Executors.newSingleThreadExecutor();//创建一个单线程池 
4.  for(int i=0;i<100;i++)\{
5.  pool.submit(new MyThread());
6.  \}
7.  pool.shutdown();
8.  \}
9.  \}

测试结果如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
2.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
3.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
4.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
5.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
6.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
7.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
8.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
9.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
10. pool-1\-thread-1正在执行。。。

单线程的线程池:这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

3)newScheduledThreadPool

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class ScheduledThreadPool \{
2.  public static void main(String\[\] args) \{
3.  ScheduledExecutorService pool=Executors.newScheduledThreadPool(6);
4.  for(int i=0;i<10000;i++)\{
5.  pool.submit(new MyThread());
6.  \}
7.  
8.  pool.schedule(new MyThread(), 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
9.  pool.schedule(new MyThread(), 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
10. pool.shutdown();
11. \}
12. \}

测试结果如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  pool-1\-thread-1正在执行。。。
2.  pool-1\-thread-6正在执行。。。
3.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
4.  pool-1\-thread-4正在执行。。。
5.  pool-1\-thread-2正在执行。。。
6.  pool-1\-thread-3正在执行。。。
7.  pool-1\-thread-4正在执行。。。
8.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
9.  pool-1\-thread-6正在执行。。。
10. pool-1\-thread-1正在执行。。。
11. …………此处会延时1S…………
12. pool-1\-thread-4正在执行。。。
13. pool-1\-thread-1正在执行。。。

测试结果的最后两个线程都是在延时1S之后，才开始执行的。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求

4)newCachedThreadPool(可缓存的线程池)

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class CachedThreadPool \{
2.  public static void main(String\[\] args) \{
3.  ExecutorService pool=Executors.newCachedThreadPool();
4.  for(int i=0;i<100;i++)\{
5.  pool.submit(new MyThread());
6.  \}
7.  pool.shutdown();
8.  \}
9.  \}

测试结果如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
2.  pool-1\-thread-7正在执行。。。
3.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
4.  pool-1\-thread-16正在执行。。。
5.  pool-1\-thread-17正在执行。。。
6.  pool-1\-thread-16正在执行。。。
7.  pool-1\-thread-5正在执行。。。
8.  pool-1\-thread-7正在执行。。。
9.  pool-1\-thread-16正在执行。。。
10. pool-1\-thread-18正在执行。。。
11. pool-1\-thread-10正在执行。。。

可缓存的线程池：如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（ 60 秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会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。

官方建议程序员使用较为方便的Executors工厂方法Executors.newCachedThreadPool()（无界线程池，可以进行自动线程回收）、Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小线程池）Executors.newSingleThreadExecutor()（单个后台线程），这几种线程池均为大多数使用场景预定义了默认配置。

2、继承ThreadPoolExecutor类，并复写父类的构造方法。

在介绍这种方式之前，我们来分析下前面几个创建线程池的底层代码是怎样的？

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public class Executors \{
2.  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) \{
3.  return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
4.  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
5.  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
6.  \}
7.  
8.  public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() \{
9.  return new FinalizableDelegatedExecutorService
10. (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
11. 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
12. new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
13. \}
14. \}

从Executors工厂类的底层代码可以看出，工厂类提供的创建线程池的方法，其实都是通过构造ThreadPoolExecutor来实现的。ThreadPoolExecutor构造方法代码如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
2.  int maximumPoolSize,
3.  long keepAliveTime,
4.  TimeUnit unit,
5.  BlockingQueue<Runnable> workQueue,
6.  ThreadFactory threadFactory,
7.  RejectedExecutionHandler handler) \{
8.  if (corePoolSize < 0 ||
9.  maximumPoolSize <= 0 ||
10. maximumPoolSize < corePoolSize ||
11. keepAliveTime < 0)
12. throw new IllegalArgumentException();
13. if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
14. throw new NullPointerException();
15. this.corePoolSize = corePoolSize;
16. this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
17. this.workQueue = workQueue;
18. this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
19. this.threadFactory = threadFactory;
20. this.handler = handler;
21. \}

那么接下来，我们就来谈谈这个 ThreadPoolExecutor 构造方法。在这个构造方法中，主要有以下几个参数：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p>corePoolSize--池中所保存的线程数，包括空闲线程。</p> <p>maximumPoolSize--池中允许的最大线程数。</p> <p>keepAliveTime--当线程数大于corePoolSize时，此为终止空闲线程等待新任务的最长时间。</p> <p>Unit--keepAliveTime&nbsp;参数的时间单位。</p> <p>workQueue--执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由&nbsp;execute方法提交的&nbsp;Runnable任务。</p> <p>threadFactory--执行程序创建新线程时使用的工厂。</p> <p>Handler--由于超出线程范围和队列容量而使执行被阻塞时所使用的处理程序。</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

接下来，咋们来说下这几个参数之间的关系。当线程池刚创建的时候，线程池里面是没有任何线程的(注意，并不是线程池一创建，里面就创建了一定数量的线程)，当调用execute()方法添加一个任务时，线程池会做如下的判断：

1)如果当前正在运行的线程数量小于corePoolSize，那么立刻创建一个新的线程，执行这个任务。

2)如果当前正在运行的线程数量大于或等于corePoolSize，那么这个任务将会放入队列中。

3)如果线程池的队列已经满了，但是正在运行的线程数量小于maximumPoolSize，那么还是会创建新的线程，执行这个任务。

4)如果队列已经满了，且当前正在运行的线程数量大于或等于maximumPoolSize，那么线程池会根据拒绝执行策略来处理当前的任务。

5)当一个任务执行完后，线程会从队列中取下一个任务来执行，如果队列中没有需要执行的任务，那么这个线程就会处于空闲状态，如果超过了keepAliveTime存活时间，则这个线程会被线程池回收(注：回收线程是有条件的，如果当前运行的线程数量大于corePoolSize的话，这个线程就会被销毁，如果不大于corePoolSize，是不会销毁这个线程的，线程的数量必须保持在corePoolSize数量内).为什么不是线程一空闲就回收，而是需要等到超过keepAliveTime才进行线程的回收了，原因很简单：因为线程的创建和销毁消耗很大，更不能频繁的进行创建和销毁，当超过keepAliveTime后，发现确实用不到这个线程了，才会进行销毁。这其中unit表示keepAliveTime的时间单位，unit的定义如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public enum TimeUnit \{
2.  NANOSECONDS \{
3.  // keepAliveTime以纳秒为单位
4.  \},
5.  MICROSECONDS \{
6.  // keepAliveTime以微秒为单位
7.  \},
8.  MILLISECONDS \{
9.  // keepAliveTime以毫秒为单位
10. \},
11. SECONDS \{
12. // keepAliveTime以秒为单位
13. \},
14. MINUTES \{
15. // keepAliveTime以分钟为单位
16. \},
17. HOURS \{
18. // keepAliveTime以小时为单位
19. \},
20. DAYS \{
21. // keepAliveTime以天为单位
22. \};

下面从源码来分析一下，对于上面的几种情况，主要涉及到的源码有以下几块：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) \{
2.  Thread t = null;
3.  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
4.  mainLock.lock();
5.  try \{
6.  if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
7.  t = addThread(firstTask);
8.  \} finally \{
9.  mainLock.unlock();
10. \}
11. if (t == null)
12. return false;
13. t.start();
14. return true;
15. \}
16. 
17. 其实，这段代码很简单，主要描述的就是，如果当前的线程池小于corePoolSize的时候，是直接新建一个线程来处理任务。
18. private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) \{
19. Thread t = null;
20. final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
21. mainLock.lock();
22. try \{
23. if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)
24. t = addThread(firstTask);
25. \} finally \{
26. mainLock.unlock();
27. \}
28. if (t == null)
29. return false;
30. t.start();
31. return true;
32. \}
33. 
34. 上面这段代码描述的是，如果当前线程池的数量小于maximumPoolSize的时候，也会创建一个线程，来执行任务

五、线程池的队列

线程池的队列，总的来说有3种：

直接提交：工作队列的默认选项是 SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此，如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。

无界队列：使用无界队列（例如，不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue）将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize。（因此，maximumPoolSize的值也就无效了。）当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；例如，在 Web页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求，当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。

有界队列：当使用有限的 maximumPoolSizes时，有界队列（如 ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、[操作系统][Link 2]资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞（例如，如果它们是 I/O边界），则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量。

下面就来说下线程池的队列，类结构图如下：

![Center 2][]

1)SynchronousQueue

该队列对应的就是上面所说的直接提交，首先SynchronousQueue是无界的，也就是说他存数任务的能力是没有限制的，但是由于该Queue本身的特性，在某次添加元素后必须等待其他线程取走后才能继续添加。

2)LinkedBlockingQueue

该队列对应的就是上面的无界队列。

3)ArrayBlockingQueue

该队列对应的就是上面的有界队列。ArrayBlockingQueue有以下3中构造方法：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public ArrayBlockingQueue(int capacity) \{
2.  this(capacity, false);
3.  \}
4.  
5.  
6.  public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) \{
7.  if (capacity <= 0)
8.  throw new IllegalArgumentException();
9.  this.items = (E\[\]) new Object\[capacity\];
10. lock = new ReentrantLock(fair);
11. notEmpty = lock.newCondition();
12. notFull = lock.newCondition();
13. \}
14. 
15. public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
16. Collection<? extends E> c) \{
17. this(capacity, fair);
18. if (capacity < c.size())
19. throw new IllegalArgumentException();
20. 
21. for (Iterator<? extends E> it = c.iterator(); it.hasNext();)
22. add(it.next());
23. \}

下面我们重点来说下这个fair，fair表示队列访问线程的竞争策略，当为true的时候，任务插入队列遵从FIFO的规则，如果为false，则可以“插队”。举个例子，假如现在有很多任务在排队，这个时候正好一个线程执行完了任务，同时又新来了一个任务，如果为false的话，这个任务不用在队列中排队，可以直接插队，然后执行。如下图所示：

![Center 3][]

六、线程池的拒绝执行策略

当线程的数量达到最大值时，这个时候，任务还在不断的来，这个时候，就只好拒绝接受任务了。

ThreadPoolExecutor 允许自定义当添加任务失败后的执行策略。你可以调用线程池的 setRejectedExecutionHandler() 方法，用自定义的RejectedExecutionHandler 对象替换现有的策略，ThreadPoolExecutor提供的默认的处理策略是直接丢弃，同时抛异常信息，ThreadPoolExecutor 提供 4 个现有的策略，分别是：  
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：表示拒绝任务并抛出异常，源码如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler \{
2.  /\*\*
3.   \* Creates an <tt>AbortPolicy</tt>.
4.   \*/
5.  public AbortPolicy() \{ \}
6.  
7.  /\*\*
8.   \* Always throws RejectedExecutionException.
9.   \* @param r the runnable task requested to be executed
10.  \* @param e the executor attempting to execute this task
11.  \* @throws RejectedExecutionException always.
12.  \*/
13. public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) \{
14. throw new RejectedExecutionException(); //抛异常
15. \}
16. \}

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：表示拒绝任务但不做任何动作，源码如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler \{
2.  /\*\*
3.   \* Creates a <tt>DiscardPolicy</tt>.
4.   \*/
5.  public DiscardPolicy() \{ \}
6.  
7.  /\*\*
8.   \* Does nothing, which has the effect of discarding task r.
9.   \* @param r the runnable task requested to be executed
10.  \* @param e the executor attempting to execute this task
11.  \*/
12. public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) \{
13. \} // 直接拒绝，但不做任何操作
14. \}

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：表示拒绝任务，并在调用者的线程中直接执行该任务，源码如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler \{
2.  /\*\*
3.   \* Creates a <tt>CallerRunsPolicy</tt>.
4.   \*/
5.  public CallerRunsPolicy() \{ \}
6.  
7.  /\*\*
8.   \* Executes task r in the caller's thread, unless the executor
9.   \* has been shut down, in which case the task is discarded.
10.  \* @param r the runnable task requested to be executed
11.  \* @param e the executor attempting to execute this task
12.  \*/
13. public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) \{
14. if (!e.isShutdown()) \{
15. r.run(); // 直接执行任务
16. \}
17. \}
18. \}

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：表示先丢弃任务队列中的第一个任务，然后把这个任务加进队列。源码如下：

**\[java\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]

1.  public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler \{
2.  /\*\*
3.   \* Creates a <tt>DiscardOldestPolicy</tt> for the given executor.
4.   \*/
5.  public DiscardOldestPolicy() \{ \}
6.  
7.  public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) \{
8.  if (!e.isShutdown()) \{
9.  e.getQueue().poll(); // 丢弃队列中的第一个任务
10. e.execute(r); // 执行新任务
11. \}
12. \}
13. \}
14. 
15. 当任务源源不断到来的时候，会从Queue中poll一个任务出来，然后执行新的任务

[Java]: http://lib.csdn.net/base/java
[Center]: /images/20220612/1e6425fd7d794d0d92ebd366fa6dc960.png
[Center 1]: /images/20220612/7eff684ec50a4e79b816d9360c18efd7.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/liuchuanhong1/article/details/52042182#
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/softwaretest
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/operatingsystem
[Center 2]: /images/20220612/730055b282284b7d85bc7e2dd62e6778.png
[Center 3]: /images/20220612/ca607b05e4794ae7a2f0cb13296498f6.png