Java 五种线程池详解、更加优雅的管理线程

作者: 威威喵丶 | 来源:发表于2019-07-22 17:26 被阅读0次

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在应用开发中，通常有这样的需求，就是并发下载文件操作，比如百度网盘下载文件、腾讯视频下载视频等，都可以同时下载好几个文件，这就是并发下载。并发下载处理肯定是多线程操作，而大量的创建线程，势必会影响程序的性能，导致卡顿等问题。所以呢，Java 中给我们提供了线程池来管理线程。

首先，我们来看看线程池是什么？顾名思义，好比一个存放线程的池子，我们可以联想水池。线程池意味着可以储存线程，并让池内的线程得以复用，如果池内的某一个线程执行完了，并不会直接摧毁，它有生命，可以存活一些时间，待到下一个任务来时，它会复用这个在等待中线程，避免了再去创建线程的额外开销。

百度对线程池的简介：
线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。例如，线程数一般取cpu数量+2比较合适，线程数过多会导致额外的线程切换开销。

线程池的概念与作用就介绍完了，下面就是线程池的运用了，我们来看这样的一个例子，模拟网络下载的功能，开启多任务下载操作，其中每条下载都开辟新线程来执行。

效果图：

image

可以看到就是这样效果，这里的每次点击下载按钮，都会开启一个子线程来更新进度条操作。注意了：这里我们看到的 name 就是线程的名字。可以观察到，5个下载任务所用的线程都是不同的，所以它们的线程名都不一样。

也就是说，我们每个任务开辟的都是一个新的线程，假如我们下载任务量非常庞大时，那开辟的线程将不可控制，先不说性能问题，如果出现了线程安全问题或者是线程的调度，处理起来都是非常困难的。所以这种情况下，非常的有必要引入我们的线程池来管理这些线程，刚刚我们介绍了线程池的优点，现在让我们具体的实现一下，才能体会它到底有那些优势。

首先，我们的线程池类型一共有 4 种，分别是 newSingleThreadPool、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool 四种，这是在 JDK1.8 版本以前了，在 JDK1.8 版本又加入了一种：newWorkStealingPool，所以现在一共是 5 种。

1、线程池的创建过程

通过这几种线程池的命名，我们大致可以猜测出来它的用意，当然，还是必须要实践一下。对 线程池 的创建一般都是这样的步骤：

        //创建单核心的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //创建固定核心数的线程池，这里核心数 = 2
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        //创建一个按照计划规定执行的线程池，这里核心数 = 2
        ExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);
        //创建一个自动增长的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建一个具有抢占式操作的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newWorkStealingPool();

我们只需要这样调用就可成功的创建适用于我们的线程池，不过从上面看不出上面东西来，我们要进入线程池创建的构造器，代码如下：

    /**
     * Creates a new {@code ThreadPoolExecutor} with the given initial
     * parameters and default thread factory and rejected execution handler.
     * It may be more convenient to use one of the {@link Executors} factory
     * methods instead of this general purpose constructor.
     *
     * @param corePoolSize the number of threads to keep in the pool, even
     *        if they are idle, unless {@code allowCoreThreadTimeOut} is set
     * @param maximumPoolSize the maximum number of threads to allow in the
     *        pool
     * @param keepAliveTime when the number of threads is greater than
     *        the core, this is the maximum time that excess idle threads
     *        will wait for new tasks before terminating.
     * @param unit the time unit for the {@code keepAliveTime} argument
     * @param workQueue the queue to use for holding tasks before they are
     *        executed.  This queue will hold only the {@code Runnable}
     *        tasks submitted by the {@code execute} method.
     * @throws IllegalArgumentException if one of the following holds:<br>
     *         {@code corePoolSize < 0}<br>
     *         {@code keepAliveTime < 0}<br>
     *         {@code maximumPoolSize <= 0}<br>
     *         {@code maximumPoolSize < corePoolSize}
     * @throws NullPointerException if {@code workQueue} is null
     */
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }

当然，上面的注释都对参数进行了介绍，我们用自己的语言进行归纳一下：

corePoolSize : 表示线程池核心线程数，当初始化线程池时，会创建核心线程进入等待状态，即使它是空闲的，核心线程也不会被摧毁，从而降低了任务一来时要创建新线程的时间和性能开销。
maximumPoolSize : 表示最大线程数，意味着核心线程数都被用完了，那只能重新创建新的线程来执行任务，但是前提是不能超过最大线程数量，否则该任务只能进入阻塞队列进行排队等候，直到有线程空闲了，才能继续执行任务。
keepAliveTime : 表示线程存活时间，除了核心线程外，那些被新创建出来的线程可以存活多久。意味着，这些新的线程一但完成任务，而后面都是空闲状态时，就会在一定时间后被摧毁。
unit : 存活时间单位，没什么好解释的，一看就懂。
workQueue : 表示任务的阻塞队列，由于任务可能会有很多，而线程就那么几个，所以那么还未被执行的任务就进入队列中排队，队列我们知道是 FIFO 的，等到线程空闲了，就以这种方式取出任务。这个一般不需要我们去实现。

还有一个注意点就是它这里的规定，可能会抛出这样的异常情况。这下面写的很明白了，就不要再介绍了：

* @throws IllegalArgumentException if one of the following holds:<br>
*         {@code corePoolSize < 0 }
*         {@code keepAliveTime < 0 }
*         {@code maximumPoolSize <= 0 }
*         {@code maximumPoolSize < corePoolSize }
* @throws NullPointerException if {@code workQueue} is null

好了，以上重点几个参数内容我们介绍完了，现在来看看几种线程池的比较和表现吧！

2、线程池的比较

（1）newSingleThreadPool，为单核心线程池，最大线程也只有一个，这里的时间为 0 意味着无限的生命，就不会被摧毁了。它的创建方式源码如下：

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

最形象的就是拿我们下载那个例子，为了便于测试，我当然添加了一个全部下载的功能， **newSingleThreadPool **测试结果如下：

image

由于我们的线程池中使用的从始至终都是单个线程，所以这里的线程名字都是相同的，而且下载任务都是一个一个的来，直到有空闲线程时，才会继续执行任务，否则都是等待状态。

（2）newFixedThreadPool，我们需要传入一个固定的核心线程数，并且核心线程数等于最大线程数，而且它们的线程数存活时间都是无限的，看它的创建方式：

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

对比 newSingleThreadPool，其实改变的也就是可以根据我们来自定义线程数的操作，比较相似。我们通过newFixedThreadPool（2）给它传入了 2 个核心线程数，看看下载效果如何：

image

显然，它就可以做到并发的下载，我们两个下载任务可以同时进行，并且所用的线程始终都只有两个，因为它的最大线程数等于核心线程数，不会再去创建新的线程了，所以这个方式也可以，但最好还是运用下面一种线程池。

（3）newCachedThreadPool，可以进行缓存的线程池，意味着它的线程数是最大的，无限的。但是核心线程数为 0，这没关系。这里要考虑线程的摧毁，因为不能够无限的创建新的线程，所以在一定时间内要摧毁空闲的线程。看看创建的源码：

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

image

没有核心线程数，但是我们的最大线程数没有限制，所以一点全部开始下载，就会创建出 5 条新的线程同时执行任务，从上图的例子看出，每天线程都不一样。看不出这个线程池的效果，下面我们通过修改这个逻辑。

首先，我们点开始下载，只会下载前面三个，为了证明线程的复用效果，我这里又添加了一个按钮，在这个按钮中继续添加后面两个下载任务。

那么，当线程下载完毕时，空闲线程就会复用，结果显示如下，复用线程池的空闲线程：

image

另一种情况，当线程池中没有空闲线程时，这时又加了新的任务，它就会创建出新的线程来执行任务，结果如下：

image

这下算是搞清楚这种线程池的作用了吧，但是由于这种线程池创建时初始化的都是无界的值，一个是最大线程数，一个是任务的阻塞队列，都没有设置它的界限，这可能会出现问题。

这里可以参考我的一篇文章： AsyncTask 源码分析，或者这个单利模式解读的文章，里面有提到如何创建自定义的线程池，参考的是 AsyncTask 的源码线程池创建代码。

（4）newScheduledThreadPool，这个表示的是有计划性的线程池，就是在给定的延迟之后运行，或周期性地执行。很好理解，大家应该用过 Timer 定时器类吧，这两个差不多的意思。它的构造函数如下：

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
              DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

内部有一个延时的阻塞队列来维护任务的进行，延时也就是在这里进行的。我们把创建 newScheduledThreadPool 的代码放出来，这样对比效果图的话，显得更加直观。

        //参数2：延时的时长
        scheduledExecutorService.schedule(th_all_1, 3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        scheduledExecutorService.schedule(th_all_2, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        scheduledExecutorService.schedule(th_all_3, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        scheduledExecutorService.schedule(th_all_4, 1500, TimeUnit.MILLISECONDS);
        scheduledExecutorService.schedule(th_all_5, 500, TimeUnit.MILLISECONDS);

image

这个线程池好像不是很常用，做个了解就好了。

（5）newWorkStealingPool，这个是 JDK1.8 版本加入的一种线程池，stealing 翻译为抢断、窃取的意思，它实现的一个线程池和上面4种都不一样，用的是 ForkJoinPool 类，构造函数代码如下：

    /**
     * Creates a thread pool that maintains enough threads to support
     * the given parallelism level, and may use multiple queues to
     * reduce contention. The parallelism level corresponds to the
     * maximum number of threads actively engaged in, or available to
     * engage in, task processing. The actual number of threads may
     * grow and shrink dynamically. A work-stealing pool makes no
     * guarantees about the order in which submitted tasks are
     * executed.
     *
     * @param parallelism the targeted parallelism level
     * @return the newly created thread pool
     * @throws IllegalArgumentException if {@code parallelism <= 0}
     * @since 1.8
     */
    public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) {
        return new ForkJoinPool
            (parallelism,
             ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
             null, true);
    }

从上面代码的介绍，最明显的用意就是它是一个并行的线程池，参数中传入的是一个线程并发的数量，这里和之前就有很明显的区别，前面4种线程池都有核心线程数、最大线程数等等，而这就使用了一个并发线程数解决问题。从介绍中，还说明这个线程池不会保证任务的顺序执行，也就是 WorkStealing 的意思，抢占式的工作。

如下图，任务的执行是无序的，哪个线程抢到任务，就由它执行：

image

对比了以上 5 种线程池，我们看到每个线程池都有自己的特点，这也是为我们封装好的一些比较常用的线程池。当然，我建议你在使用（3）可缓存的线程池时，尽量的不要用默认的那个来创建，因为默认值都是无界的，可能会出现一些问题，这时我们可以参考源码中的线程池初始化参数的设置，可以尽可能的避免错误发生。

通过这个案例，我们把线程池学习了一遍，总结一下线程池在哪些地方用到，比如网络请求、下载、I/O操作等多线程场景，我们可以引入线程池，一个对性能有提升，另一个就是可以让管理线程变得更简单。

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