JavaSE -- 线程池原理

线程池（ThreadPool）是一种基于池化思想管理和使用线程的机制。它是将多个线程预先存储在一个“池子”内，当有任务出现时可以避免重新创建和销毁线程所带来性能开销，只需要从“池子”内取出相应的线程执行对应的任务即可。

池化思想在计算机的应用也比较广泛，比如以下这些：

• 内存池(Memory Pooling)：预先申请内存，提升申请内存速度，减少内存碎片。
• 连接池(Connection Pooling)：预先申请数据库连接，提升申请连接的速度，降低系统的开销。
• 实例池(Object Pooling)：循环使用对象，减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。

优点

• 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
• 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
• 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。
• 提供更多更强大的功能：线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。

线程池的创建
构造方法

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

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

//创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
}

newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
newScheduledThreadPool 创建一个可定期或者延时执行任务的定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
newCachedThreadPool 创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。

参数

• corePoolSize：核心池的大小，这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到>* corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
• maximumPoolSize：线程池最大线程数，这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
• keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于
• corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；
• unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

• workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，这个参数的选择也很重要，会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：

ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

• threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
• handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务 

线程池的主要流程

1.判断核心线程池是否已满，即已创建线程数是否小于corePoolSize？没满则创建一个新的工作线程来执行任务。已满则进入下个流程。
2.判断工作队列是否已满？没满则将新提交的任务添加在工作队列，等待执行。已满则进入下个流程。
3.判断整个线程池是否已满，即已创建线程数是否小于maximumPoolSize？没满则创建一个新的工作线程来执行任务，已满则交给饱和策略来处理这个任务。

一个线程池例子

class MyThread implements Runnable {

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 1; i <= 100; i++) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
		}
	}

}

public class ThreadPool {
	public static void main(String[] args) {
		// 1.调用Executors的newFixedThreadPool(),返回指定线程数量的ExecutorService
		ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		// 2.将Runnable实现类的对象作为形参传递给ExecutorService的submit()方法中，开启线程
		// 并执行相关的run()
		pool.execute(new MyThread());
		pool.execute(new MyThread());
		// 3.结束线程的使用
		pool.shutdown();

	}
}

execute()方法源码

public void execute(Runnable command) {

if (command == null)
throw new NullPointerException();

//如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务

if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {

//如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。

if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {

if (runState != RUNNING || poolSize == 0)

ensureQueuedTaskHandled(command);

}

//如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，则创建一个线程执行任务。

else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))

//抛出RejectedExecutionException异常

reject(command); // is shutdown or saturated

}

}

一般如果线程池任务队列采用LinkedBlockingQueue队列的话，那么不会拒绝任何任务（因为其大小为Integer.MAX_VALUE），这种情况下，ThreadPoolExecutor最多仅会按照最小线程数corePoolSize来创建线程，也就是说线程池大小被忽略了。
如果线程池任务队列采用ArrayBlockingQueue队列，初始化设置了最大队列数。那么ThreadPoolExecutor的maximumPoolSize才会生效，那么ThreadPoolExecutor的maximumPoolSize才会生效会采用新的算法处理任务，
例如假定线程池的最小线程数为4，最大为8，ArrayBlockingQueue最大为10。随着任务到达并被放到队列中，线程池中最多运行4个线程（即核心线程数）直到队列完全填满，也就是说等待状态的任务小于等于10，ThreadPoolExecutor也只会利用4个核心线程线程处理任务。
如果队列已满，而又有新任务进来，此时才会启动一个新线程，这里不会因为队列已满而拒接该任务，相反会启动一个新线程。新线程会运行队列中的第一个任务，为新来的任务腾出空间。如果线程数已经等于最大线程数，任务队列也已经满了，则线程池会拒绝这个任务，默认拒绝策略是抛出异常。