线程池原理与API使用介绍

一、线程池原理：

首先我们要明确为什么用多线程？是不是线程越多就越好？随着现代计算机的发展，我们可以利用多核CPU的特点同时处理多个线程，可以更好的压榨计算机的性能。但是需要注意的是，并不是线程越多就越好；因为线程再java中是一个对象，那么创建对象就要消耗系统资源，并且线程的创建、销毁、切换都需要时间，如果线程的执行时间小于线程的创建、销毁和切换时间，那么用多线程就是得不偿失的。
线程有如下6中状态：

为了控制线程的数量，并且复用现有的线程资源，我们就要利用到线程池技术。线程池的示意图如下：

其中，线程池有几个基本概念：
（1）线程池管理器(上图的线程池)：它用于创建并管理线程池，包括创建、销毁线程和添加新任务；
（2）工作线程(上图的线程)：它是线程池中实际工作的线程，在没有任务时处于等待状态，有任务时可以利用以及开辟好的线程资源执行任务；
（3）任务接口(上图的任务代码)：它是每个任务必须实现的接口(如runnable、callable等)，它规定了线程如何执行；
（4）任务队列(上图的任务仓库):它用于存放没有被处理的线程，是一种缓存机制。
线程池执行execute()的流程图如下：

所以，如果现在有一个线程池核心线程数为5，最大为10，空闲时间5秒，队列容量为3，那么这个线程池中存在的最大线程数量为13。（首先5个线程直接被执行，然后3个线程被堆积在等待队列中，队列满了以后，又会开辟到10个线程去执行任务，在5秒内空闲的话，又销毁5个线程资源，回到5个核心线程数）。需要说明的是，我们一般不会把等待队列设为无界队列，一旦这么做了，线程就会一直堆积在线程池的等待队列中排队，会给计算机造成极大的压力。

二、线程池API：

线程池的API如下：

类型	名称	描述
接口	Executor	最上层的接口定义了执行任务的execute()方法
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接口，增加了定时任务的相关方法
实现类	ThreadPoolExecutor	标准的线程池实现
实现类	ScheduledThreadPoolExecutor	继承了ThreadPoolExecutor，实现了ScheduledExecutorService接口中相关定时任务的方法

ThreadPoolExecutor的构造函数如下(7个参数)：

ThreadPoolExecutor(//核心线程数(正式工)
                   int corePoolSize,
                   //最大线程数(临时工)
                   int maximumPoolSize,
                   //空闲时间(临时工的空闲时间,超时就“开除”了)
                   long keepAliveTime,
                   //空闲时间的单位
                   TimeUnit unit,
                   //等待队列(可在这里设置等待队列的大小)
                   //可写LinkedBlockingQueue<Runnable>和SynchronousQueue<Runnable>(一般用于缓存线程池)
                   BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                   //创建线程的工厂
                   ThreadFactory threadFactory,
                   //当线程池满时，执行的拒绝策略，有五种方式：
                   //AbortPolicy:默认策略，抛RejectedExecutionException异常(容易打断整个流程)
                   //DiscardPolicy:直接放弃，不抛任何异常，啥也不干
                   //DiscardOldestPolicy:把最早放到等待队列中的任务移除，并加入一个新的任务
                   //CallerRunsPolicy:主线程自己调用执行器中的execute()方法直接执行(不推荐用)
                   //自定义:实现RejectedExecutionHandler接口，重写rejectedExecution()方法
                   RejectedExecutionHandler handler)

以下是线程池几种情况的的使用示例:

/** 线程池的使用 */
public class ExecutorTest{

	/**
	 * 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
	}

	/**
	 * 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
	}

	/**
	 * 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：5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
	}

	/**
	 * 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(叫做缓存线程,适合线程数不确定的情况)(有空闲线程(60秒内没到没被销毁)就复用，没有就加开(加开最大值是第二个参数设置的))
		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());
	}

	/**
	 * 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
	}

	/**
	 * 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);
	}

	/**
	 * 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);
		//线程池被终止了，再来新的提交的线程直接被拒绝，并且线程池会等待所有线程全部执行完，新的线程就不干了
		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
	}

	/**
	 * 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);
		//立刻结束线程池，正在执行的线程跑InterruptedException异常，在等待的队列的线程会返回回来(即List<Runnable>)
		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
	}

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		//线程池（无界）
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest1();
		//线程池（有界、有拒绝策略）
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest2();
		//线程池（无界）
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest3();
		//缓存线程池（无界）
		new Demo9().threadPoolExecutorTest4();
		//定时线程池
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest5();
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest6();
		//线程池终止
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest7();
//		new Demo9().threadPoolExecutorTest8();
	}
}