线程池及其运行原理

前言

• 首先从结构说起
• 然后线程池的参数
• 最后在结合代码简单分析

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new Thread 弊端

        第一：每次new Thread 新建对象，性能差
        第二：线程缺乏统一管理,可能无限制的新建线程,相互竞争,有可能占用过多系统资源导致死机或OOM
        第三：缺少更多的功能,如更多执行、定期执行、线程中断。

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什么是线程池

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序，都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
           第一：降低资源消耗。重用存在的线程,减少对象创建、消亡的开销，性能佳。
           第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
           第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用、

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线程池实例的几种状态

           running状态：能接受新提交的任务，并且能处理阻塞队列中的任务。
           shutdown状态：当一个线程池实例处于关闭状态的时候，不能在接收新提交的任务，但是可以继续处理阻塞队列中已经保存的任务。在线程池处理running状态时，它调用shutdown方法，会使线程池进入到该状态。
           stop状态：不能接收新的任务，也不处理队列中的任务。它会中断正在处理中的线程，在线程池处于running或shutdown状态时，如果调用shutdownNow的时候会使线程池进入到该状态
           tidying状态：如果所用的任务都终止了，有效线程数为0，线程池会进入到该状态。之后调用terminated()方法会进入terminated状态。
           terminated状态

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线程池的体系结构

根目录是Executor在JUC包下(java.util.concurrent)，结构如下(这里说的是在JUC包下的子类)：

|- Executor ：负责线程的使用与调用的根接口
    |--** ExecutorService    子接口：线程池的主要接口
        |-- AbstractExecutorService 提供 ExecutorService 执行方法的默认实现
              |-- DelegatedExecutorService 
              |-- ForkJoinPool
              |-- ThreadPoolExecutor    线程池的实现类
        |-- ScheduledExecutorService    子接口：负责线程的调度
              |-- ScheduledThreadPoolExecutor:继承了 ThreadPoolExecutor,实现了ScheduledExecutorService

实际上最根本用的是ExecutorService，又因为ExecutorService是接口，接口不能创建对象，所以根本用的就是创建ThreadPoolExecutor的实例或ScheduledThreadPoolExecutor的实例。

但是基本上都是使用Executors工具类。最常见的有如下四个。但是这四个类都有可能OOM，一般情况下都需要根据自己需求，自定义线程池。

1、newFixedThreadPool()   :  创建固定大小的线程池，返回类型是ExecutorService。
2、newCachedThreadPool() :  缓存线程池，线程池的数量不固定，可以根据需求自动的更改数量。返回类型是ExecutorService。
3、newSingleThreadExecutor() :   创建单个线程池，线程池中只有一个线程。返回类型是ExecutorService。
4、newScheduledThreadPool()  :  创建固定大小的线程池，可以延迟或定时的执行任务。返回类型ScheduledExecutorService。

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ThreadPoolExecutor常用的方法

• execute():提交任务，交给线程池执行。
• submit():提交任务，能够返回执行结果 execute + Future
• shutdown():关闭线程池，等待任务都执行完
• shutdownNow():关闭线程池，不等待任务执行完
• getTaskCount():线程池已执行和未执行的任务总数
• getCompletedTaskCount():已完成的任务数量
• getPoolSize():线程池当前的线程数量
• getActiveCount();当前线程池中正在执行任务的线程数量

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线程池工具类的参数介绍

在介绍线程池原理的时候首先看一下这四个工具类源码。 

           其实这四个工具类都是实例化ThreadPoolExecutor这个类。进入ThreadPoolExecutor里查看这个构造函数。ThreadPoolExecutor构造函数有4种。这里介绍参数最多的。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,   //核心线程数
                          int maximumPoolSize,//最大线程数
                          long keepAliveTime,//表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。
                          TimeUnit unit,     //参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue, //阻塞队列，存储等待执行的任务，很重要，会对线程池运行过程产生重大影响
                          ThreadFactory threadFactory,  //线程工厂，用来创建线程
                          RejectedExecutionHandler handler //当拒绝处理任务时的策略
)
拒绝策略有四种
    1、AbortPolicy 默认 处理程序遭到拒绝将抛出运行时 RejectedExecutionException 
    2、CallerRunsPolicy  用调用者所在的线程调用任务
    3、DiscardOldestPolicy 如果执行程序没有关闭，阻塞队列头部的任务将被删除，然后重试执行程序（如果再次失败，则重复此过程）
    4、DiscardPolicy  不能执行的任务将被删除，只不过不抛出异常。

    如果运行的线程数少于corePoolSize的时候，直接创建新线程处理任务。
    如果运行的线程数大于等于corePoolSize，小于maximumPoolSize的时候，只有当workQueue满的时候才创建新的线程去处理任务。
    如果设置的corePoolSize和maximumPoolSize相同的话，那么创建线程池大小是固定的。这时候如果有请求，workQueue还没满的时候，就把请求放入workQueue中，等待有空闲的线程从这里面提取。

为什么线程池要用阻塞队列而不用非阻塞队列？
           因为线程执行需要时间，当队列满的情况下，遇到新的任务添加不进去，会出现丢任务的情况。用阻塞队列的话，可以阻
塞添加，等线程执行完，有空余线程，会执行阻塞队列里的任务，这样新的任务可以添加进去。

接下来具体介绍运行原理，以及核心线程数与最大线程数的关系。

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线程池原理剖析

提交一个任务到线程池中，线程池的处理流程有三步：

1、判断线程池里的核心线程是否都在执行任务，如果不是（核心线程空闲或者还有核心线程没有被创建）则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程都在执行任务，则进入下个流程。

2、线程池判断阻塞队列是否已满，如果阻塞队列没有满，则将新提交的任务存储在这个阻塞队列里。如果阻塞队列满了，则进入下个流程。

3、判断线程池里的线程是否都处于工作状态，如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务(也是放在线程池里)。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

 

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自定义线程池

 如果上图不理解的话，可以结合代码在想着可能会更好理解。根据四个工具类可以得出想要自定义线程池就实例化ThreadPoolExecutor即可，就是根据需要实例化ThreadPoolExecutor，如下图，自定义一个核心线程数为1，最大线程数为2，阻塞队列为ArrayBlockingQueue。

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
            // 核心线程数是1，最大线程数是2，阻塞队列是采用ArrayBlockingQueue(有边界的阻塞队列)
	    ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 60L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(3));
            //当执行第一个任务时，直接从线程池中取出线程执行
	    threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务1"));
            //当执行第二个的时候，因为大于核心线程数，所以放在阻塞队列中
            threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务2"));
            //当执行第三个的时候，因为大于核心线程数，所以放在阻塞队列中
            threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务3"));
            //当执行第四个的时候，因为大于核心线程数，所以放在阻塞队列中
            threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务4"));
            //当执行第五个的时候，因为大于核心线程数，且阻塞队列已经被占满，这个时候最大线程数还有空闲线程，所以新建一个线程执行该任务
            threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务5"));
            //当放入第六个线程的时候，因为2个最大线程数和3个阻塞队列全被占用，所以会报错
            threadPoolExecutor .execute(new TaskThread("任务6"));
            //关闭线程池
	    threadPoolExecutor .shutdown();
	}
}
class TaskThread implements Runnable {
	private String taskName;
	public TaskThred(String taskName) {
		this.taskName = taskName;
	}
	@Override
	public void run() {
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+taskName);
	}
}

 

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线程池的合理配置

1、CPU密集型：花费了绝大多数时间在计算上

CPU密集的意思是该任务需要大量的运算，而没有阻塞，CPU一直全速运行。 
           CPU密集任务只有在真正的多核CPU上才可能得到加速(通过多线程)，而在单核CPU上，无论你开几个模拟的多线程，该任务都不可能得到加速，因为CPU总的运算能力就那些。

CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为CPU+1

2、I/O密集型：  花费了大多是时间在等待I/O上。

IO密集型，即该任务需要大量的IO，即大量的阻塞。在单线程上运行IO密集型的任务会导致浪费大量的CPU运算能力浪费在等待。所以在IO密集型任务中使用多线程可以大大的加速程序运行，即时在单核CPU上，这种加速主要就是利用了被浪费掉的阻塞时间。

IO密集型任务，参考值可以设置为2*CPU。