Java 并发之线程池

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线程池的作用

池化技术是一种很常见的计算机技术，主要是为了复用和提高性能，如内存池、连接池、对象池等。线程池也不例外，他的主要作用如下：

• 提高性能：线程的频繁创建和销毁会产生的很大的系统开销，线程池中的线程复用可以大幅度的减少这种不必要的开销。
• 复用和管理：方便对池子中的线程进行管理和复用，避免在生产环境中大量的创建线程。
• 解耦：只暴露提交任务的接口，将线程池的创建、销毁等工作与业务解耦。

JDK 在并发包中为我们定义了一套 Executor 框架，帮助开发人员有效地进行线程控制，有基础的线程池类、有线程池工厂，但是最最重要还是 ThreaPoolExecutor，也是面试中最常问的知识点。本文重点介绍 ThreaPoolExecutor 的原理。

线程池的参数说明

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

ThreaPoolExecutor 参数的含义如下

• corePoolSize: 线程池中核心线程的数量。
• maximumPoolSize: 线程池中的最大线程数量。
• keepAliveTime: 当线程池数量超过 corePoolSize 时，多余的空闲线程的存活时间。即超过 coolPoolSize 的空闲线程在 多长时间内，会被销毁。
• unit: keepAliveTime 的单位，可以为 时、分、秒等多种值。
• workQueue: 任务队列，存放被提交但尚未被执行的任务。
• threadFactory: 线程工厂，用于创建线程，一般用默认即可。
• handler: 拒绝策略，当线程池处理不过来任务时，如何拒绝任务。

以上参数中 workQueue、threadFactory、handler 相对复杂，需要单独介绍，下面主要介绍下 ThreadFactory 和 RejectedExecutionHandler

1. 线程工厂：ThreadFactory

线程池中的线程都由 TrheadFactory 定义的线程工厂来创建，它是一个接口只有 Thread newThread(Runnable r) 方法，用来创建线程。虽然创建 ThreadPoolExecutor 的时候可以不指定该参数，但是阿里巴巴编码规约建议最好指定该参数，有以下几个好处：

• 跟踪线程池在何时、创建了多少线程。
• 可以自定义线程池的名称、组以及优先级等信息。
• 设置线程的其他状态等，如守护进程。

2. 拒绝策略：RejectedExecutionHandler

当线程池线程数量达到 maxPoolSize 大小时，再提交新的任务会执行拒绝策略，JDK 定义了四种拒绝策略：

• AbortPolicy 该策略直接抛出异常
• CallerRunsPolicy 调用者线程处理任务，该策略并不是真正的丢弃任务，会让当前线程来执行被抛弃的任务，由于只有一个线程，所有的任务会被串行执行。
• DiscardOldestPolicy 丢弃最老的一个请求，即队列头部的即将被执行的任务，并尝试再次提交当前任务。
• DiscardPolicy 该策略默默丢弃无法处理的任务。

以上四种拒绝策略都继承了接口 RejectedExecutionHandler 并实现该接口的 rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 方法。如果以上四种拒绝策略都满足不了你的需求，可以自定义拒绝策略，继承接口 RejectedExecutionHandler 并实现方法即可。

线程池的调度逻辑

ThreaPoolExecutor 对提交的任务处理逻辑如下图，

1. 提交任务时：

• 如果线程池中的线程数小于 corePoolSize (无论是否有空闲线程)，创建新的线程(谓之核心线程)来处理。
• 如果线程池中的线程数已经大于或者 corePoolSize ，新提交的任务将被放置到等候队列中，等待调度。
• 如果等待队列已满，并且线程池中的线程数量小于 maxPoolSize，将继续创建新线程处理任务。
• 如果队列已满且线程数量也达到了上限，将使用拒绝策略来处理。

2. 任务进行中时：

当队列中的任务已经执行完，部分线程开始空闲，非核心线程会在空闲后的 keepAliveTime 的时间内自行销毁。

而空闲核心线程是否退出取决于线程池的另一个参数 allowCoreThreadTimeOut 。当配置为 true 的时候，即使是核心线程，超时也会退出。

线程池的生命周期

线程池同线程一样也有自己的生命周期，包括 RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING 和 TERMINATED 五种状态，他们的转换关系如下图，并且这些转换时不可逆的。

1. RUNNING

该状态是线程池的工作状态，能够接受新任务以及对接受的任务进行处理。线程池的初始状态，即线程创建成功后就处理此状态。

2. SHUTDOWN

关闭状态，线程池不再接受新的任务，但是能继续处理提交到线程池中的任务。线程状态 RUNNING 的情况下调用 shutdown() 方法进入该状态。

3. STOP

停止状态，线程池不接受新的任务，也不处理阻塞队列中的任务，同时会中断正在执行任务的线程。在线程处于 RUNNING 或者 SHUTDOWN 状态下调用 shutdownNow() 方法进入该状态。

4. TIDYING

所有任务都销毁了，workCount 为 0，会自动从 RUNNING 或者 STOP 状态转化为 TIDYING 状态。在转换过程中会调用 terminated() 方法，ThreadPoolExecutor 类的 ternimated() 方法为空，如果想在线程池变成 TIDYING 的时候有所处理，可以重载该方法。

线程池在 SHUTDOWN 状态下，阻塞队列为空并且执行任务为空时转换为 TIDYING 状态;线程池在 STOP 状态下，执行的任务为空时转换为 TIDYING 状态。

5. TERMINATED

结束状态，线程池的最终状态，该状态的线程池不会再有任何操作。线程池执行 terminated() 方法后处于该状态。

JDK 四种线程池

了解 ThreaPoolExecutor 的基本原理后再来看看 JDK 在 Executors 中为开发人员定义的四个线程池工厂方法，其实它们内部调用的是 ThreaPoolExecutor，只是使用了不同的参数，下面来了解下它们的特性。

newFixedThreadPool() 方法：该方法返回一个固定线程池数量的线程，提交任务时如果线程池中有空闲线程，则立即执行，没有则新的任务会被缓存在一个任务队列中，它创建线程池的代码如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nthread) { 
  return new ThreadPoolExecutor(nthread,  
                                nthread,  
                                0L,  
                                TimeUnit.MILLSECCONDS,  
                                new LikedBlockingQueue<Runnable>()) 
} 

newSingleThreadExecutor() 方法：该方法返回只有一个线程的线程池，如果多余的任务提交到线程池，则被提交到任务队列中。它创建线程池代码如下：

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

newCachedThreadPool() 方法：该方法返回一个可根据实际情况调整线程数的线程池，它的核心线程数为 0 ，线程总数为 Integer.MAX_VALUE ，队列采用的是 SynchronousQueue，这样即使线程满，任务也不能提交到队列中。

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

newScheduledThreadPool()：该方法一个固定长度的线程池，并且以延迟或者定时的方式去执行任务。它的队列使用 DelayedWorkQueue，所以任务必须继承 Delay 接口。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { 
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); 
} 
 
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) { 
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, 
          new DelayedWorkQueue()); 
}