一文全貌了解线程池的正确使用姿势

作者：JAVA旭阳

2022-10-22
福建
本文字数：5467 字
阅读完需：约 18 分钟

概述

线程池在平时的工作中出场率非常高，基本大家多多少少都要了解过，可能不是很全面，本文和大家基于 jdk8 学习下线程池的全面使用，以及分享下使用过程中遇到的一些坑。

线程池介绍

因为线程资源十分宝贵，每次创建和销毁线程的开销都比较大，另一方面，如果创建太多的线程，也会消耗系统大量资源，降低系统吞吐量，甚至导致服务不可用。为了解决这些问题，提出一种基于池化思想管理和使用线程的机制，就是我们的线程池。

线程池的核心思想就是能做到线程的复用，线程池中的线程执行完成不会销毁，而是存留在内存里，等待执行其他的任务。

jdk 中的线程池采用的是一种生产者—消费者模型，如下图：

外部提交任务到线程池中，如果线程数量小于指定阈值的话，直接创建线程
如果提交任务大于阈值，会存到队列中
线程池中的工作线程执行前面的任务完成后，不会销毁，而是去从队列中获取任务，继续执行。

线程池创建

线程池提供如下 2 种方式创建方式：

ThreadPoolExecutor 创建

下面是线程池类 ThreadPoolExecutor 最全参数的构造函数

ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                              int maximumPoolSize,                              long keepAliveTime,                              TimeUnit unit,                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,                              ThreadFactory threadFactory,                              RejectedExecutionHandler handler)

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corePoolSize: 核心线程数，线程池中始终存活的线程数量
maximumPoolSize：最大线程数，线程池中容纳最大的线程数量，这里引入一个"救急线程"的概念，可以想象为"临时工",它的数量=maximumPoolSize-corePoolSize，这部分线程会超过一定时间后销毁。
keepAliveTime："救急线程"的可以存活的时间，当超过这段时间这些线程没有任务执行，就会被回收。
unit：单位，和 keepAliveTime 配合使用。
workQueue: 阻塞队列，用来存储提交的多余的任务，等待工作线程执行完毕后获取，它有下面 7 个类型：

threadFactory: 线程工厂，用于创建线程，可以指定线程名。
handler: 拒绝策略，如果任务超限时执行的策略，内置了 4 种可选，默认AbortPolicy，也可以自定义。

通过这些参数创建好线程后，提交一个线程的执行流程图如下：

当线程数小于核心线程数时，创建线程。
当线程数大于等于核心线程数，且任务队列未满时，将任务放入任务队列。
当线程数大于等于核心线程数，且任务队列已满, 若线程数小于最大线程数，创建救急线程，否则执行拒绝策略。

Executors 创建

由于上面线程池的构造方法比较复杂，jdk 也为我们提供了一种便利的方式，通过 Executors 工厂创建多种不同的线程池。

newFixedThreadPool

创建一个固定大小的线程池

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

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核心线程数等于最大线程数
阻塞队列是无界的，可以不限制任务数量，可能会因为任务太多 OOM
使用默认的线程工厂和拒绝策略
适用于任务量已知、相对耗时的任务

newCachedThreadPool

创建一个核心线程为 0，最大线程数不限的线程池

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

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核心线程数为 0，最大线程数不限制，来一个任务就会创建一个线程，过一段时间会销毁，这样可能会导致线程过多而导致系统资源耗尽。
队列采用了 SynchronousQueue 实现，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）。
适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况。

newSingleThreadExecutor

创建只有一个线程的线程池。

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

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核心线程数和最大线程数都为 1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。
适用于只有一个任务执行情况。

问题： newSingleThreadExecutor 和 newFixedThreadPool(1)区别是什么呢？

newSingleThreadExecutor 中创建的线程通过 FinalizableDelegatedExecutorService 实现，采用装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，后续也无法修改线程池的大小。而 Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为 1，以后还可以修改，对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改。

newScheduledThreadPool

创建可以执行延迟任务的线程池

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);    }

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适用于一些延迟执行的调度任务

newWorkStealingPool

这是 jdk8 引入的一种方式，创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定）。

public static ExecutorService newWorkStealingPool() {        return new ForkJoinPool            (Runtime.getRuntime().availableProcessors(),             ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,             null, true);    }

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注意这个不是基于 ThreadPoolExecutor 创建出来，而是基于 ForkJoinPool 扩展，将任务按照工作线程均分。然后先工作完的线程去帮助没处理完的线程工作。以实现最快完成工作。
适合处理很耗的任务。

线程池关键 API 和例子

提交执行任务 API

void execute(Runnable command)

提交执行 Runnable 任务，无返回值

Future<T> submit(Callable<T> task)

提交任务 callable 任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

Future<?> submit(Runnable task)

提交 Runnable 任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

Future<T> submit(Runnable task, T result)

提交 Runnable 任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，返回传入的 result, 主线程可以执行 FutureTask.get()方法来阻塞等待任务执行完成。

List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)

批量提交 Callable 任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程阻塞等待任务执行完成。

List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)

带超时时间的批量提交 Callable 任务，用返回值 Future 获得任务执行结果，主线程阻塞等待任务执行完成或者过了超时时间。

T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)

提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消

T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)

提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间

@Test    public void test1() throws ExecutionException, InterruptedException {        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 100,                100, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50),                new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());        for (int i = 0; i < 20; i++) {            // execute的方式提交任务            threadPool.execute(() -> {                log.info("execute ....");            });        }
        // submit runnable        Future<String> futureCall = threadPool.submit(new Callable<String>() {            @Override            public String call() throws Exception {                try {                    Thread.sleep(1000);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                return "callable Result";            }        });        // 阻塞等待结果返回        String result = futureCall.get();        log.info("submit callable: {}", result);
        // submit runnable        Future<String> future = threadPool.submit(new Runnable() {            @Override            public void run() {                log.info("submit runnable ....");                try {                    Thread.sleep(1000);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }            }        }, "submit result");        // 阻塞等待结果返回        result = future.get();        log.info("submit runnable: {}", result);
        List<Callable<String>> callables = new ArrayList<>();        for (int i = 0; i < 5; i++) {            final int j = i;            callables.add(new Callable<String>() {                @Override                public String call() throws Exception {                    Thread.sleep(2000);                    return "callable" + j;                }            });        }        List<Future<String>> futures = threadPool.invokeAll(callables);        for (Future<String> stringFuture : futures) {            String invoke = stringFuture.get();            log.info("invoke result: {}", invoke);        }
        String invokeAny = threadPool.invokeAny(callables);        log.info("invoke any: {}", invokeAny);    }

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关闭线程池 API

shutdown()

优雅关闭线程池，不会接收新任务，但已提交任务会执行完，包括等待队列里面的。

List<Runnable> shutdownNow()

立即关闭线程池，不会接收新任务，也不会执行队列中的任务，并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务，返回队列中的任务。

isShutdown()

返回线程池是否关闭

isTerminated()

如果在关闭后所有任务都已完成，则返回 true。注意，除非先调用 shutdown 或 shutdownNow，否则 istterminated 永远不会为 true。

boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)

阻塞直到所有任务在关闭请求后完成执行，或发生超时，或当前线程被中断(以先发生的情况为准)。如果该执行程序终止，则为 True;如果在终止前超时，则为 false。

线程池监控 API

long getTaskCount()：获取已经执行或正在执行的任务数
long getCompletedTaskCount(): 获取已经执行的任务数
int getLargestPoolSize()：获取线程池曾经创建过的最大线程数，根据这个参数，我们可以知道线程池是否满过
int getPoolSize()： 获取线程池线程数
int getActiveCount(): 获取活跃线程数（正在执行任务的线程数）

扩展 API

ThreadPoolExecutor留下了 3 个扩展接口供我们使用。

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) ：任务执行前被调用
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t): 任务执行后被调用
protected void terminated() ：线程池结束后被调用

@Test    public void test3() {        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 1, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(1)) {            @Override protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {                System.out.println("beforeExecute is called");            }            @Override protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {                System.out.println("afterExecute is called");            }            @Override protected void terminated() {                System.out.println("terminated is called");            }        };
        executor.submit(() -> System.out.println("this is a task"));        executor.shutdown();    }