JAVA线程池

本文介绍线程池的工作原理及其在Java中的实现方法。通过创建线程池,可以有效管理线程资源,提高系统并发处理能力。文章详细解释了线程池的组成和工作流程,并提供了具体实例。

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在现代的操作系统中,有一个很重要的概念――线程,几乎所有目前流行的操作系统都支持线程,线程来源于操作系统中进程的概念,进程有自己的虚拟地址空间以及正文段、数据段及堆栈,而且各自占有不同的系统资源(例如文件、环境变量等等)。与此不同,线程不能单独存在,它依附于进程,只能由进程派生。如果一个进程派生出了两个线程,那这两个线程共享此进程的全局变量和代码段,但每个线程各拥有各自的堆栈,因此它们拥有各自的局部变量,线程在UNIX系统中还被进一步分为用户级线程(由进程自已来管理)和系统级线程(由操作系统的调度程序来管理)。

    既然有了进程,为什么还要提出线程的概念呢?因为与创建一个新的进程相比,创建一个线程将会耗费小得多的系统资源,对于一些小型的应用,可能感觉不到这点,但对于那些并发进程数特别多的应用,使用线程会比使用进程获得更好的性能,从而降低操作系统的负担。另外,线程共享创建它的进程的全局变量,因此线程间的通讯编程会更将简单,完全可以抛弃传统的进程间通讯的IPC编程,而采用共享全局变量来进行线程间通讯。

    有了上面这个概念,我们下面就进入正题,来看一下线程池究竟是怎么一回事?其实线程池的原理很简单,类似于操作系统中的缓冲区的概念,它的流程如下:先启动若干数量的线程,并让这些线程都处于睡眠状态,当客户端有一个新请求时,就会唤醒线程池中的某一个睡眠线程,让它来处理客户端的这个请求,当处理完这个请求后,线程又处于睡眠状态。可能你也许会问:为什么要搞得这么麻烦,如果每当客户端有新的请求时,我就创建一个新的线程不就完了?这也许是个不错的方法,因为它能使得你编写代码相对容易一些,但你却忽略了一个重要的问题――性能!就拿我所在的单位来说,我的单位是一个省级数据大集中的银行网络中心,高峰期每秒的客户端请求并发数超过100,如果为每个客户端请求创建一个新线程的话,那耗费的CPU时间和内存将是惊人的,如果采用一个拥有200个线程的线程池,那将会节约大量的的系统资源,使得更多的CPU时间和内存用来处理实际的商业应用,而不是频繁的线程创建与销毁。

    既然一切都明白了,那我们就开始着手实现一个真正的线程池吧,线程编程可以有多种语言来实现,例如C、C++、java等等,但不同的操作系统提供不同的线程API接口,为了让你能更明白线程池的原理而避免陷入烦琐的API调用之中,我采用了JAVA语言来实现它,由于JAVA语言是一种跨平台的语言,因此你不必为使用不同的操作系统而无法编译运行本程序而苦恼,只要你安装了JDK1.2以上的版本,都能正确地编译运行本程序。另外JAVA语言本身就内置了线程对象,而且JAVA语言是完全面像对象的,因此能够让你更清晰地了解线程池的原理,如果你注意看一下本文的标题,你会发现整个示例程序的代码只有大约100行。

    本示例程序由三个类构成,第一个是TestThreadPool类,它是一个测试程序,用来模拟客户端的请求,当你运行它时,系统首先会显示线程池的初始化信息,然后提示你从键盘上输入字符串,并按下回车键,这时你会发现屏幕上显示信息,告诉你某个线程正在处理你的请求,如果你快速地输入一行行字符串,那么你会发现线程池中不断有线程被唤醒,来处理你的请求,在本例中,我创建了一个拥有10个线程的线程池,如果线程池中没有可用线程了,系统会提示你相应的警告信息,但如果你稍等片刻,那你会发现屏幕上会陆陆续续提示有线程进入了睡眠状态,这时你又可以发送新的请求了。

    第二个类是ThreadPoolManager类,顾名思义,它是一个用于管理线程池的类,它的主要职责是初始化线程池,并为客户端的请求分配不同的线程来进行处理,如果线程池满了,它会对你发出警告信息。

    最后一个类是SimpleThread类,它是Thread类的一个子类,它才真正对客户端的请求进行处理,SimpleThread在示例程序初始化时都处于睡眠状态,但如果它接受到了ThreadPoolManager类发过来的调度信息,则会将自己唤醒,并对请求进行处理。

    首先我们来看一下TestThreadPool类的源码:

package ThreadPool;

import java.io.*;

public class TestThreadPool {
	public static void main(String[] args) {
		BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		String s;
		ThreadPoolManager manager = new ThreadPoolManager(10);
		try {
			while ((s = br.readLine()) != null) {
				manager.process(s);
			}
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		} 
	}
}

 

    由于此测试程序用到了输入输入类,因此第1行导入了JAVA的基本IO处理包,在第11行中,我们创建了一个名为manager的类,它给 ThreadPoolManager类的构造函数传递了一个值为10的参数,告诉ThreadPoolManager类:我要一个有10个线程的池,给我创建一个吧!第12行至15行是一个无限循环,它用来等待用户的键入,并将键入的字符串保存在s变量中,并调用ThreadPoolManager类的 process方法来将这个请求进行处理。

    下面我们再进一步跟踪到ThreadPoolManager类中去,以下是它的源代码:

package ThreadPool;

import java.util.Vector;

public class ThreadPoolManager {

	private int maxThread;
	public Vector<SimpleThread> vector;

	public ThreadPoolManager(int countThread) {
		this.setMaxThread(countThread);
		System.out.println("Starting thread pool..."); 
		vector = new Vector<SimpleThread>(countThread);
		for (int i = 0; i < countThread; i++) {
			SimpleThread thread = new SimpleThread(i);
			vector.addElement(thread);
			thread.start();
		}
	}

	public void setMaxThread(int countThread) {
		this.maxThread = countThread;
	}

	public void process(String command) {
		int i;
		for(i = 0; i < maxThread; i++) {
			SimpleThread thread = vector.elementAt(i);
			if(!thread.isRunning()) {
				System.out.println("Thread "+ (i+1) +" is processing:" + command);
				thread.setCommand(command);
				thread.setRunning(true);
				return;
			}
		}
		if(i == maxThread) {
			System.out.println("pool is full, try in another time."); 
		}
	}
}

 

我们先关注一下这个类的构造函数,然后再看它的process()方法。第16-24行是它的构造函数,首先它给ThreadPoolManager类的成员变量maxThread赋值,maxThread表示用于控制线程池中最大线程的数量。第18行初始化一个数组vector,它用来存放所有的 SimpleThread类,这时候就充分体现了JAVA语言的优越性与艺术性:如果你用C语言的话,至少要写100行以上的代码来完成vector的功能,而且C语言数组只能容纳类型统一的基本数据类型,无法容纳对象。好了,闲话少说,第19-24行的循环完成这样一个功能:先创建一个新的 SimpleThread类,然后将它放入vector中去,最后用thread.start()来启动这个线程,为什么要用start()方法来启动线程呢?因为这是JAVA语言中所规定的,如果你不用的话,那这些线程将永远得不到激活,从而导致本示例程序根本无法运行。
    下面我们再来看一下process()方法,第30-40行的循环依次从vector数组中选取SimpleThread线程,并检查它是否处于激活状态(所谓激活状态是指此线程是否正在处理客户端的请求),如果处于激活状态的话,那继续查找vector数组的下一项,如果vector数组中所有的线程都处于激活状态的话,那它会打印出一条信息,提示用户稍候再试。相反如果找到了一个睡眠线程的话,那第35-38行会对此进行处理,它先告诉客户端是哪一个线程来处理这个请求,然后将客户端的请求,即字符串argument转发给SimpleThread类的setArgument()方法进行处理,并调用 SimpleThread类的setRunning()方法来唤醒当前线程,来对客户端请求进行处理。

    可能你还对setRunning()方法是怎样唤醒线程的有些不明白,那我们现在就进入最后一个类:SimpleThread类,它的源代码如下:

package ThreadPool;

public class SimpleThread extends Thread {

	private boolean runningFlag;
	private String command;
	private int index;

	public SimpleThread(int index) {
		runningFlag = false;
		System.out.println("thread " + index + " started.");
		this.index = index;
	}

	public boolean isRunning() {
		return this.runningFlag;
	}

	public synchronized void setRunning(boolean flag) {
		this.runningFlag = flag;
		if (flag) {
			this.notify();
		}
	}

	public String getCommand() {
		return this.command;
	}

	public void setCommand(String command) {
		this.command = command;
	}

	public synchronized void run() {
		try {
			while (true) {
				if (!runningFlag) {
					this.wait();
				} else {
					System.out.println("processing " + getCommand()
							+ "... done.");
					System.out.println("Thread " + this.index + " is sleeping...");
					sleep(5000);
					System.out.println("Thread " + this.index + " is recovered");
					setRunning(false);
				}
			}
		} catch (InterruptedException e) {
			System.out.println("Interrupt"); 
		}
	}

}

 

    如果你对JAVA的线程编程有些不太明白的话,那我先在这里简单地讲解一下,JAVA有一个名为Thread的类,如果你要创建一个线程,则必须要从 Thread类中继承,并且还要实现Thread类的run()接口,要激活一个线程,必须调用它的start()方法,start()方法会自动调用 run()接口,因此用户必须在run()接口中写入自己的应用处理逻辑。那么我们怎么来控制线程的睡眠与唤醒呢?其实很简单,JAVA语言为所有的对象都内置了wait()和notify()方法,当一个线程调用wait()方法时,则线程进入睡眠状态,就像停在了当前代码上了,也不会继续执行它以下的代码了,当调用notify()方法时,则会从调用wait()方法的那行代码继续执行以下的代码,这个过程有点像编译器中的断点调试的概念。以本程序为例,第38行调用了wait()方法,则这个线程就像凝固了一样停在了38行上了,如果我们在第13行进行一个notify()调用的话,那线程会从第 38行上唤醒,继续从第39行开始执行以下的代码了。

    通过以上的讲述,我们现在就不难理解SimpleThread类了,第9-14行通过设置一个标志runningFlag激活当前线程,第25-29行是 SimpleThread类的构造函数,它用来告诉客户端启动的是第几号进程。第31-50行则是我实现的run()接口,它实际上是一个无限循环,在循环中首先判断一下标志runningFlag,如果没有runningFlag为false的话,那线程处理睡眠状态,否则第42-45行会进行真正的处理:先打印用户键入的字符串,然后睡眠5秒钟,为什么要睡眠5秒钟呢?如果你不加上这句代码的话,由于计算机处理速度远远超过你的键盘输入速度,因此你看到的总是第1号线程来处理你的请求,从而达不到演示效果。最后第45行调用setRunning()方法又将线程置于睡眠状态,等待新请求的到来。

    最后还有一点要注意的是,如果你在一个方法中调用了wait()和notify()函数,那你一定要将此方法置为同步的,即synchronized,否则在编译时会报错,并得到一个莫名其妙的消息:“current thread not owner”(当前线程不是拥有者)。

    至此为止,我们完整地实现了一个线程池,当然,这个线程池只是简单地将客户端输入的字符串打印到了屏幕上,而没有做任何处理,对于一个真正的企业级运用,本例还是远远不够的,例如错误处理、线程的动态调整、性能优化、临界区的处理、客户端报文的定义等等都是值得考虑的问题,但本文的目的仅仅只是让你了解线程池的概念以及它的简单实现,如果你想成为这方面的高手,本文是远远不够的,你应该参考一些更多的资料来深入地了解它。

<think>我们正在讨论Java线程池的使用和原理。根据引用内容,线程池Java中主要通过ThreadPoolExecutor类实现,从JDK5开始内置支持。线程池的好处包括重用线程、控制并发数量、管理线程生命周期等。常见的线程池类型有:FixedThreadPool(固定容量)、CachedThreadPool(缓存)、SingleThreadExecutor(单线程)、ScheduledThreadPool(定时任务)以及通过ThreadPoolExecutor自定义创建。我们将分步骤讲解:1.线程池的核心原理2.创建线程池的五种方式(包括不推荐的原因)3.重点讲解ThreadPoolExecutor及其参数4.线程池的工作机制(任务提交、执行、拒绝策略等)5.使用示例注意:根据引用[3]和[4],ThreadPoolExecutor是构建线程池的核心类,因此我们将重点分析。步骤1:线程池的核心原理线程池通过预先创建一定数量的线程并维护它们,避免频繁创建和销毁线程的开销。当有任务提交时,线程池分配空闲线程执行任务;若没有空闲线程,任务将被放入队列等待;当队列满时,根据设定的拒绝策略处理。步骤2:创建线程池的五种方式(引用[3]和[5])1.newCachedThreadPool:创建一个可缓存的线程池,线程数可无限增加(最大为Integer.MAX_VALUE),空闲线程默认60秒回收。不推荐原因:可能创建过多线程导致OOM。2.newFixedThreadPool:固定大小的线程池,使用无界队列(LinkedBlockingQueue)。不推荐原因:无界队列可能堆积大量任务导致OOM。3.newSingleThreadExecutor:只有一个线程的线程池,同样使用无界队列。不推荐原因同上。4.newScheduledThreadPool:用于定时或周期性任务的线程池。不推荐直接使用的原因是其最大线程数为Integer.MAX_VALUE,可能创建过多线程。5.推荐方式:直接使用ThreadPoolExecutor构造函数创建,可明确指定参数,避免资源耗尽。步骤3:ThreadPoolExecutor的七个参数(引用[3]和[4])构造方法如下:```javapublicThreadPoolExecutor(intcorePoolSize,intmaximumPoolSize,longkeepAliveTime,TimeUnitunit,BlockingQueue<Runnable>workQueue,ThreadFactorythreadFactory,RejectedExecutionHandlerhandler)```1.corePoolSize:核心线程数,即使空闲也不会被回收(除非设置allowCoreThreadTimeOut)2.maximumPoolSize:最大线程数3.keepAliveTime:非核心线程的空闲存活时间4.unit:存活时间单位5.workQueue:任务队列(常用有ArrayBlockingQueue有界队列,LinkedBlockingQueue无界队列,SynchronousQueue同步移交队列)6.threadFactory:线程工厂,用于创建线程7.handler:拒绝策略(当线程池和队列都满时触发)步骤4:线程池的工作机制(任务提交执行流程)1.提交任务后,如果当前线程数小于corePoolSize,则创建新线程执行(即使有空闲线程)。2.如果当前线程数>=corePoolSize,则将任务放入workQueue。3.如果队列已满,且线程数小于maximumPoolSize,则创建新的非核心线程执行。4.如果队列已满且线程数达到maximumPoolSize,则触发拒绝策略。拒绝策略(handler)有四种:-AbortPolicy(默认):抛出RejectedExecutionException-CallerRunsPolicy:由调用线程执行该任务-DiscardPolicy:丢弃任务,不抛异常-DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重试步骤5:使用示例(以ThreadPoolExecutor为例)下面是一个自定义线程池的示例:```javaimportjava.util.concurrent.*;publicclassThreadPoolExample{publicstaticvoidmain(String[]args){//创建线程池ThreadPoolExecutorexecutor=newThreadPoolExecutor(2,//核心线程数5,//最大线程数60,//空闲线程存活时间TimeUnit.SECONDS,newArrayBlockingQueue<>(10),//有界队列,容量10Executors.defaultThreadFactory(),newThreadPoolExecutor.AbortPolicy());//拒绝策略:直接抛出异常//提交任务for(inti=0;i<15;i++){finalinttaskId=i;executor.execute(()->{System.out.println("Task"+taskId+"isrunningonthread"+Thread.currentThread().getName());try{Thread.sleep(1000);//模拟任务执行}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}});}//关闭线程池executor.shutdown();}}```注意:实际任务数15个,核心线程2个,最大线程5个,队列容量10个。因此前2个任务会创建核心线程执行,接下来的10个任务放入队列,然后第13、14、15个任务会创建非核心线程(共3个非核心线程,总线程数5个)。如果超过15个任务(比如16个),则会触发拒绝策略。最后,关于线程池的关闭,可以使用shutdown()(等待已提交任务完成)或shutdownNow()(尝试中断所有线程,停止任务)。总结:使用线程池时,推荐直接使用ThreadPoolExecutor构造函数,根据实际需求设置参数,避免使用Executors工厂方法可能导致的资源耗尽问题。相关问题:1.线程池中任务队列有哪些类型?各自特点是什么?2.如何合理设置线程池的核心线程数和最大线程数?3.线程池的拒绝策略有哪些?如何自定义拒绝策略?4.如何监控线程池的运行状态?5.线程池中线程是如何创建的?如何自定义线程工厂?</think>### Java线程池使用指南与原理分析 Java线程池通过`java.util.concurrent`包实现,核心类是`ThreadPoolExecutor`。线程池的核心思想是**复用线程**,避免频繁创建销毁线程的开销。线程池中的线程执行完任务后不会销毁,而是回到池中等待新任务[^2]。 --- #### **一、线程池的创建方式** Java提供5种创建线程池的方法(实际都是`ThreadPoolExecutor`的包装): 1. **固定大小线程池**(推荐) ```java ExecutorService fixedPool = Executors.newFixedThreadPool(5); // 固定5个线程 ``` - 特点:核心线程数=最大线程数,使用无界队列`LinkedBlockingQueue` - 风险:任务过多时可能导致OOM(队列无限增长)[^5] 2. **缓存线程池**(不推荐) ```java ExecutorService cachedPool = Executors.newCachedThreadPool(); ``` - 特点:线程数无上限(`Integer.MAX_VALUE`),空闲线程60秒回收 - 风险:高并发时可能创建大量线程导致OOM[^3] 3. **单线程池** ```java ExecutorService singlePool = Executors.newSingleThreadExecutor(); ``` - 特点:仅1个线程,保证任务顺序执行 - 风险:同固定线程池(无界队列问题) 4. **定时任务线程池** ```java ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(3); ``` 5. **推荐做法:手动创建`ThreadPoolExecutor`** ```java ThreadPoolExecutor customPool = new ThreadPoolExecutor( 4, // 核心线程数 10, // 最大线程数 60, // 空闲线程存活时间(秒) TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100), // 有界队列(容量100) new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒绝策略 ); ``` --- #### **二、核心参数详解(7个关键参数)** ```java public ThreadPoolExecutor( int corePoolSize, // 核心线程数(常驻线程) int maximumPoolSize, // 最大线程数 long keepAliveTime, // 非核心线程空闲存活时间 TimeUnit unit, // 时间单位 BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 任务队列 ThreadFactory threadFactory, // 线程工厂 RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略 ) ``` 1. **任务队列类型** - `ArrayBlockingQueue`:**有界队列**(推荐),避免OOM - `LinkedBlockingQueue`:**无界队列**(默认) - `SynchronousQueue`:不存储任务,直接移交线程 2. **拒绝策略**(当队列和线程池全满时触发) - `AbortPolicy`(默认):抛出`RejectedExecutionException` - `CallerRunsPolicy`:由调用者线程直接执行任务 - `DiscardPolicy`:静默丢弃任务 - `DiscardOldestPolicy`:丢弃队列最旧的任务 --- #### **三、线程池工作原理** 1. **任务提交流程**: - 当线程数 < `corePoolSize`,**创建新线程**执行任务 - 当线程数 >= `corePoolSize`,任务进入**工作队列** - 当队列已满且线程数 < `maximumPoolSize`,**创建临时线程**执行 - 当队列满且线程数达到`maximumPoolSize`,触发**拒绝策略**[^4] 2. **线程回收机制**: - 核心线程默认不回收(除非设置`allowCoreThreadTimeOut(true)`) - 非核心线程空闲超过`keepAliveTime`后自动销毁 --- #### **四、最佳实践** 1. **参数设置建议**: - CPU密集型任务:核心线程数 = CPU核数 + 1 - IO密集型任务:核心线程数 = 2 * CPU核数 - 使用**有界队列**防止资源耗尽 - 拒绝策略选择`CallerRunsPolicy`保证任务不丢失 2. **代码示例**: ```java ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor( Runtime.getRuntime().availableProcessors(), // 核心线程数=CPU核数 Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2, 30, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(500), Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() ); // 提交任务 executor.execute(() -> System.out.println("Task running")); // 优雅关闭 executor.shutdown(); executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES); ``` 3. **注意事项**: - 避免使用`Executors`快捷方法(有OOM风险) - 监控线程池状态(通过`getActiveCount()`等方法) - 务必调用`shutdown()`释放资源 --- #### **五、原理解析** - **线程复用**:通过`Worker`类封装线程,循环从队列获取任务执行[^3] - **任务调度**:核心逻辑在`ThreadPoolExecutor.execute()`方法中 - **资源控制**:通过`BlockingQueue`实现生产者-消费者模型 > 线程池的本质是**资源池化技术**(Pooling),通过复用线程降低系统开销,同时提供流量缓冲和容错能力[^4]。 --- ### 相关问题 1. **为什么`FixedThreadPool`使用无界队列会导致OOM?如何避免?** 2. **线程池中`corePoolSize`和`maximumPoolSize`设置不当会产生什么后果?** 3. **如何实现一个自定义拒绝策略(如记录日志或降级处理)?** 4. **线程池的`shutdown()`和`shutdownNow()`有什么区别?** 5. **如何监控线程池的运行状态(如队列积压、活跃线程数)?** [^1]: ThreadPoolExecutor是Java线程池的核心实现类。 [^2]: JDK5开始内置线程池,线程执行后返回池中复用。 [^3]: 手动创建ThreadPoolExecutor可避免资源耗尽风险。 [^4]: 线程池通过队列缓冲和动态扩缩容管理任务。 [^5]: FixedThreadPool的无界队列可能导致OOM。
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