Java多线程 - 线程池原理

一、为什么要用线程池

• 线程是不是越多越好?
  1、线程在java中是一个对象，更是操作系统的资源，线程创建、销毁需要时间。如果 创建时间+销毁时间>执行任务时间 就很不合算。
  2、java对象占用堆内存，操作系统线程占用系统内存，根据jvm规范，一个线程默认最大栈大小1M，这个栈空间是需要从系统内存中分配的。线程过多，会消耗很多的内存。
  3、操作系统需要频繁切换线程上下文(大家都想被运行)，影响性能。

线程池的推出，就是为了方便控制的控制线程数量。

二、线程池原理 - 概念

• 线程池管理器:用于创建并管理线程池，包括创建线程池，销毁线程池，添加新任务;
• 工作线程:线程池中线程，在没有任务时处于等待状态，可以循环的执行任务;
• 任务接口:每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度任务的执行，它主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工作，任务的执行状态等;
• 任务队列:用于存放没有处理的任务。提供—种缓冲机制。

三、线程池API - 接口定义和实现类

类型	名称	描述
接口	Executor	最上层的接口,定义了执行任务的方法execute
接口	ExecutorService	继承了Executor接口，拓展了Callable 、Future、关闭方法
接口	ScheduledExecutorService	继承了ExecutorService，增加了定时任务相关的方法
实现类	ThreadPoolExecutor	基础、标准的线程池实现
实现类	scheduledThreadPoolExecutor	继承了ThreadPoolExecutor，实现了ScheduledExecutorService中相关定时任务的方法

可以认为ScheduledThreadPoolExecutor是最丰富的实现类

1. 方法定义

• ExecutorService 的方法定义

//监测ExecutorService是否已经关闭，直到所有任务完成执行，或超时发生，或当前线程被中断
awaitTermination(long timeout,TimeUnit unit)
//执行给定的任务集合，执行完毕后，返回结果
invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
//执行给定的任务集合，执行完毕或者超时后，返回结果，其他任务终止
invokeAll(Collection<? extends Callab<T>>tasks, long timeout, TimeUnit unit)
//执行给定的任务，任意一个执行成功则返回结果，其他任务终止
invokeAny(Collection<? extends Callable<T>>tasks)
//执行给定的任务，任意一个执行成功或者超时后，则返回结果，其他任务终止
invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout,TimeUnit unit)
//如果此线程池已关闭，则返回true。
isShutdown()
//如果关闭后所有任务都已完成，则返回true。
isTerminated()
//优雅关闭线程池，之前提交的任务将被执行，但是不会接受新的任务。
shutdown()
//尝试停止所有正在执行的任务，停止等待任务的处理，并返回等待执行任务的列表。
shutdownNow()
//提交一个用于执行的Callable返回任务，并返回一个Future，用于获取Callable执行结果
submit(Callable<T> task)
//提交可运行任务以执行，并发回一个Future对象，执行结果为null
submit(Runnable task)
//提交可运行任务以执行，并返回Future，执行结果为传入的result
submit(Runnable task,T result)

图片版本

ExecutorService

• ScheduledExecutorService 方法定义

创建并执行一个一次性任务过了延迟时间就会被执行

schedule(Callable<V> callable, long delay,TimeUnit unit)
schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)

创建并执行一个周期性任务
过了给定的初始延迟时间，会第一次被执行执行过程中发生了异常，那么任务就停止。
—次任务执行时长超过了周期时间，下一次任务会等到该次任务执行结束后,立刻执行,这也是它和scheduleWithFixedDelay的重要区别。

scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)

创建并执行一个周期性任务
过了初始延迟时间，第一次被执行，后续以给定的周期时间执行执行过程中发生了异常，那么任务就停止
—次任务执行时长超过了周期时间，下一次任务会在该次任务执行结束的时间基础上，计算执行延时。
对于超过周期的长时间处理任务的不同处理方式，这是它和scheduleAtFixedRate的重要区别。

scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay,TimeUnit unit)

图片版本

ScheduledExecutorService

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四、线程池API - Executors 工具类

Executors 实例化线程池的常用方法：

• newFixedThreadPool(int nThreads)创建一个固定大小、任务队列容量无界的线程池。核心线程数=最大线程数

• newCachedThreadPool()创建的是一个大小无界的缓冲线程池。它的任务队列是一个同步队列。任务加入到池中，如果池中有空闲线程，则用空闲线程执行，如无则创建新线程执行。池中的线程空闲超过60秒，将被销毁释放。线程数随任务的多少变化。适用于执行耗时较小的异步任务。线程池的核心线程数=0，最大线程数=Integer.MAX_VALUE

• newSingleThreadExecutor()只有一个线程来执行无界任务队列的单一线程池。该线程池确保任务按加入的顺序一个一个依次执行。当唯一的线程因任务异常中止时，将创建一个新的线程来继续执行后续的任务。与newFixedThreadPool(1)的区别在于，单一线程池的池大小在newSingleThreadExecutor方法中硬编码，不能再改变的。

• newScheduledThreadPool(int corePoolSize)能定时执行任务的线程池。该池的核心线程数由参数指定，最大线程数= Integer.MAX_VALUE

• 普通例子：

    /**
     * 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务,看线程池的状况
     * 
     * @param threadPoolExecutor 传入不同的线程池，看不同的结果
     * @throws Exception
     */
    public void testCommon(ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor) throws Exception {
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行：" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 查看线程数量，查看队列等待数量
        Thread.sleep(500L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
        // 等待15秒，查看线程数量和队列数量（理论上，会被超出核心线程数量的线程自动销毁）
        Thread.sleep(15000L);
        System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        System.out.println("当前线程池等待的数量为：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
    }

    /**
     * 1、线程池信息： 核心线程数量5，最大数量10，无界队列，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest1() throws Exception {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：线程池线程数量为：5,超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
    }

五、线程池原理 - 任务execute过程

1、是否达到核心线程数量?没达到，创建一个工作线程来执行任务。
2、工作队列是否已满？没满，则将新提交的任务存储在工作队列里。
3、是否达到线程池最大数量？没达到，则创建一个新的工作线程来执行任务。
4、最后，执行拒绝策略来处理这个任务。

任务execute过程

即只有在核心线程数量和队列都满了的情况下才会继续创建新的线程，且此时必须保证最大线程数还没有达到

• 例子

    /**
     * 2、 线程池信息： 核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest2() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
                    @Override
                    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                        System.err.println("有任务被拒绝执行了");
                    }
                });
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：
        // 1、 5个任务直接分配线程开始执行
        // 2、 3个任务进入等待队列
        // 3、 队列不够用，临时加开5个线程来执行任务(5秒没活干就销毁)
        // 4、 队列和线程池都满了，剩下2个任务，没资源了，被拒绝执行。
        // 5、 任务执行，5秒后，如果无任务可执行，销毁临时创建的5个线程
    }

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更多例子

• 例子3：
  无界队列的最大线程数量是没有用处的，但是最大线程数必须大于等于核心线程数，不然会报错。java.lang.IllegalArgumentException

    /**
     * 3、 线程池信息： 核心线程数量5，最大数量5，无界队列，超出核心线程数量的线程存活时间：0秒
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest3() throws Exception {
        // 和Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结：线程池线程数量为：5，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
    }

• 例子4：
  缓存线程，不会控制线程数的大小。不建议使用Integer.MAX_VALUE，可以自行设定一个大小。

    /**
     * 4、 线程池信息：
     * 核心线程数量0，最大数量Integer.MAX_VALUE，SynchronousQueue队列，超出核心线程数量的线程存活时间：60秒
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest4() throws Exception {

        // SynchronousQueue，实际上它不是一个真正的队列，因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是，它维护一组线程，这些线程在等待着把元素加入或移出队列。
        // 在使用SynchronousQueue作为工作队列的前提下，客户端代码向线程池提交任务时，
        // 而线程池中又没有空闲的线程能够从SynchronousQueue队列实例中取一个任务，
        // 那么相应的offer方法调用就会失败（即任务没有被存入工作队列）。
        // 此时，ThreadPoolExecutor会新建一个新的工作者线程用于对这个入队列失败的任务进行处理（假设此时线程池的大小还未达到其最大线程池大小maximumPoolSize）。

        // 和Executors.newCachedThreadPool()一样的
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                new SynchronousQueue<Runnable>());
        testCommon(threadPoolExecutor);
        // 预计结果：
        // 1、 线程池线程数量为：15，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
        // 2、 所有任务执行结束，60秒后，如果无任务可执行，所有线程全部被销毁，池的大小恢复为0
        Thread.sleep(60000L);
        System.out.println("60秒后，再看线程池中的数量：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
    }

• 例子5：
  定时执行任务：参考延时队列

    /**
     * 5、 定时执行线程池信息：3秒后执行，一次性任务，到点就执行 <br/>
     * 核心线程数量5，最大数量Integer.MAX_VALUE，DelayedWorkQueue延时队列，超出核心线程数量的线程存活时间：0秒
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest5() throws Exception {
        // 和Executors.newScheduledThreadPool()一样的
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        threadPoolExecutor.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("任务被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println(
                "定时任务，提交成功，时间是：" + System.currentTimeMillis() + ", 当前线程池中线程数量：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
        // 预计结果：任务在3秒后被执行一次
    }

例子6：
周期性执行任务：

    /**
     * 6、 定时执行线程池信息：线程固定数量5 ，<br/>
     * 核心线程数量5，最大数量Integer.MAX_VALUE，DelayedWorkQueue延时队列，超出核心线程数量的线程存活时间：0秒
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest6() throws Exception {
        ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
        // 周期性执行某一个任务，线程池提供了两种调度方式，这里单独演示一下。测试场景一样。
        // 测试场景：提交的任务需要3秒才能执行完毕。看两种不同调度方式的区别
        // 效果1： 提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，完毕后立刻执行)。
        // 也就是说这个代码中是，3秒钟执行一次（计算方式：每次执行三秒，间隔时间1秒，执行结束后马上开始下一次执行，无需等待）
        threadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-1 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 效果2：提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，等上一次执行完毕后再开始计时，等待1秒)。
        // 也就是说这个代码钟的效果看到的是：4秒执行一次。 （计算方式：每次执行3秒，间隔时间1秒，执行完以后再等待1秒，所以是 3+1）
        threadPoolExecutor.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务-2 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
            }
        }, 2000, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

• 例子 7：
  终止线程池:
  1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
  2、调用shutdown后，不接收新的任务，等待13任务执行结束
  3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行

    /**
     * 7、 终止线程：线程池信息： 核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest7() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
                    @Override
                    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                        System.err.println("有任务被拒绝执行了");
                    }
                });
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行：" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常：" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdown后，不接收新的任务，等待13任务执行结束
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
    }

例子8：
终止线程池：
1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
2、调用shutdownnow后，队列中的3个线程不再执行，10个线程被终止
3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行

    /**
     * 8、 立刻终止线程：线程池信息： 核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
     * 
     * @throws Exception
     */
    private void threadPoolExecutorTest8() throws Exception {
        // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
        // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(3), new RejectedExecutionHandler() {
                    @Override
                    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                        System.err.println("有任务被拒绝执行了");
                    }
                });
        // 测试： 提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int n = i;
            threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("开始执行：" + n);
                        Thread.sleep(3000L);
                        System.err.println("执行结束:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("异常：" + e.getMessage());
                    }
                }
            });
            System.out.println("任务提交成功 :" + i);
        }
        // 1秒后终止线程池
        Thread.sleep(1000L);
        List<Runnable> shutdownNow = threadPoolExecutor.shutdownNow();
        // 再次提交提示失败
        threadPoolExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("追加一个任务");
            }
        });
        System.out.println("未结束的任务有：" + shutdownNow.size());

        // 结果分析
        // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
        // 2、调用shutdownnow后，队列中的3个线程不再执行，10个线程被终止
        // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
    }

线程数量：

• 如何确定合适数量的线程？
  计算型任务：cpu数量的1-2倍
  IO型任务：相对比计算型任务，需多一些线程，要根据具体的IO阻塞时长进行考量决定。如tomcat中默认的最大线程数为:200。
  也可考虑根据需要在一个最小数量和最大数量间自动增减线程数。

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