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根據(jù)摩爾定律所說：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每 18 個月翻一番，因此 CPU 上的晶體管數(shù)量會越來越多。
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但隨著時間的推移，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量已趨向飽和，摩爾定律也漸漸失效，因此多核 CPU 逐漸變?yōu)橹髁鳎c之相對應的多線程編程也開始變得普及和流行起來，這當然也是很久之前的事了，對于現(xiàn)在而言多線程編程已經(jīng)成為程序員必備的職業(yè)技能了，那接下來我們就來盤一盤“線程池”這個多線程編程中最重要的話題。
什么是線程池?
線程池(ThreadPool)是一種基于池化思想管理和使用線程的機制。它是將多個線程預先存儲在一個“池子”內(nèi)，當有任務出現(xiàn)時可以避免重新創(chuàng)建和銷毀線程所帶來性能開銷，只需要從“池子”內(nèi)取出相應的線程執(zhí)行對應的任務即可。
池化思想在計算機的應用也比較廣泛，比如以下這些：
- 內(nèi)存池(Memory Pooling)：預先申請內(nèi)存，提升申請內(nèi)存速度，減少內(nèi)存碎片。
- 連接池(Connection Pooling)：預先申請數(shù)據(jù)庫連接，提升申請連接的速度，降低系統(tǒng)的開銷。
- 實例池(Object Pooling)：循環(huán)使用對象，減少資源在初始化和釋放時的昂貴損耗。
線程池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下 4 點：
- 降低資源消耗：通過池化技術(shù)重復利用已創(chuàng)建的線程，降低線程創(chuàng)建和銷毀造成的損耗。
- 提高響應速度：任務到達時，無需等待線程創(chuàng)建即可立即執(zhí)行。
- 提高線程的可管理性：線程是稀缺資源，如果無限制創(chuàng)建，不僅會消耗系統(tǒng)資源，還會因為線程的不合理分布導致資源調(diào)度失衡，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用線程池可以進行統(tǒng)一的分配、調(diào)優(yōu)和監(jiān)控。
- 提供更多更強大的功能：線程池具備可拓展性，允許開發(fā)人員向其中增加更多的功能。比如延時定時線程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允許任務延期執(zhí)行或定期執(zhí)行。
同時阿里巴巴在其《Java開發(fā)手冊》中也強制規(guī)定：線程資源必須通過線程池提供，不允許在應用中自行顯式創(chuàng)建線程。
- 說明：線程池的好處是減少在創(chuàng)建和銷毀線程上所消耗的時間以及系統(tǒng)資源的開銷，解決資源不足的問題。如果不使用線程池，有可能造成系統(tǒng)創(chuàng)建大量同類線程而導致消耗完內(nèi)存或者“過度切換”的問題。
知道了什么是線程池以及為什要用線程池之后，我們再來看怎么用線程池。
線程池使用
線程池的創(chuàng)建方法總共有 7 種，但總體來說可分為 2 類：
- 一類是通過 ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建的線程池;
- 另一個類是通過 Executors 創(chuàng)建的線程池。
線程池的創(chuàng)建方式總共包含以下 7 種(其中 6 種是通過 Executors 創(chuàng)建的，1 種是通過 ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建的)：
- Executors.newFixedThreadPool：創(chuàng)建一個固定大小的線程池，可控制并發(fā)的線程數(shù)，超出的線程會在隊列中等待;
- Executors.newCachedThreadPool：創(chuàng)建一個可緩存的線程池，若線程數(shù)超過處理所需，緩存一段時間后會回收，若線程數(shù)不夠，則新建線程;
- Executors.newSingleThreadExecutor：創(chuàng)建單個線程數(shù)的線程池，它可以保證先進先出的執(zhí)行順序;
- Executors.newScheduledThreadPool：創(chuàng)建一個可以執(zhí)行延遲任務的線程池;
- Executors.newSingleThreadScheduledExecutor：創(chuàng)建一個單線程的可以執(zhí)行延遲任務的線程池;
- Executors.newWorkStealingPool：創(chuàng)建一個搶占式執(zhí)行的線程池(任務執(zhí)行順序不確定)【JDK 1.8 添加】。
- ThreadPoolExecutor：最原始的創(chuàng)建線程池的方式，它包含了 7 個參數(shù)可供設置，后面會詳細講。
單線程池的意義從以上代碼可以看出 newSingleThreadExecutor 和 newSingleThreadScheduledExecutor 創(chuàng)建的都是單線程池，那么單線程池的意義是什么呢?答：雖然是單線程池，但提供了工作隊列，生命周期管理，工作線程維護等功能。
那接下來我們來看每種線程池創(chuàng)建的具體使用。
1.FixedThreadPool
創(chuàng)建一個固定大小的線程池，可控制并發(fā)的線程數(shù)，超出的線程會在隊列中等待。
使用示例如下：
- public static void fixedThreadPool() {
- // 創(chuàng)建 2 個數(shù)據(jù)級的線程池
- ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
- // 創(chuàng)建任務
- Runnable runnable = new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- };
- // 線程池執(zhí)行任務(一次添加 4 個任務)
- // 執(zhí)行任務的方法有兩種:submit 和 execute
- threadPool.submit(runnable); // 執(zhí)行方式 1:submit
- threadPool.execute(runnable); // 執(zhí)行方式 2:execute
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
如果覺得以上方法比較繁瑣，還用更簡單的使用方法，如下代碼所示：
- public static void fixedThreadPool() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
- // 執(zhí)行任務
- threadPool.execute(() -> {
- System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName());
- });
- }
2.CachedThreadPool
創(chuàng)建一個可緩存的線程池，若線程數(shù)超過處理所需，緩存一段時間后會回收，若線程數(shù)不夠，則新建線程。
使用示例如下：
- public static void cachedThreadPool() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
- // 執(zhí)行任務
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- threadPool.execute(() -> {
- System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- });
- }
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述結(jié)果可以看出，線程池創(chuàng)建了 10 個線程來執(zhí)行相應的任務。
3.SingleThreadExecutor
創(chuàng)建單個線程數(shù)的線程池，它可以保證先進先出的執(zhí)行順序。
使用示例如下：
- public static void singleThreadExecutor() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
- // 執(zhí)行任務
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- final int index = i;
- threadPool.execute(() -> {
- System.out.println(index + ":任務被執(zhí)行");
- try {
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- });
- }
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
4.ScheduledThreadPool
創(chuàng)建一個可以執(zhí)行延遲任務的線程池。
使用示例如下：
- public static void scheduledThreadPool() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
- // 添加定時執(zhí)行任務(1s 后執(zhí)行)
- System.out.println("添加任務,時間:" + new Date());
- threadPool.schedule(() -> {
- System.out.println("任務被執(zhí)行,時間:" + new Date());
- try {
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }, 1, TimeUnit.SECONDS);
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述結(jié)果可以看出，任務在 1 秒之后被執(zhí)行了，符合我們的預期。
5.SingleThreadScheduledExecutor
創(chuàng)建一個單線程的可以執(zhí)行延遲任務的線程池。
使用示例如下：
- public static void SingleThreadScheduledExecutor() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
- // 添加定時執(zhí)行任務(2s 后執(zhí)行)
- System.out.println("添加任務,時間:" + new Date());
- threadPool.schedule(() -> {
- System.out.println("任務被執(zhí)行,時間:" + new Date());
- try {
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }, 2, TimeUnit.SECONDS);
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述結(jié)果可以看出，任務在 2 秒之后被執(zhí)行了，符合我們的預期。
6.newWorkStealingPool
創(chuàng)建一個搶占式執(zhí)行的線程池(任務執(zhí)行順序不確定)，注意此方法只有在 JDK 1.8+ 版本中才能使用。
使用示例如下：
- public static void workStealingPool() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ExecutorService threadPool = Executors.newWorkStealingPool();
- // 執(zhí)行任務
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- final int index = i;
- threadPool.execute(() -> {
- System.out.println(index + " 被執(zhí)行,線程名:" + Thread.currentThread().getName());
- });
- }
- // 確保任務執(zhí)行完成
- while (!threadPool.isTerminated()) {
- }
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述結(jié)果可以看出，任務的執(zhí)行順序是不確定的，因為它是搶占式執(zhí)行的。
7.ThreadPoolExecutor
最原始的創(chuàng)建線程池的方式，它包含了 7 個參數(shù)可供設置。
使用示例如下：
- public static void myThreadPoolExecutor() {
- // 創(chuàng)建線程池
- ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(10));
- // 執(zhí)行任務
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- final int index = i;
- threadPool.execute(() -> {
- System.out.println(index + " 被執(zhí)行,線程名:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- Thread.sleep(1000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- });
- }
- }
執(zhí)行結(jié)果如下：
ThreadPoolExecutor 參數(shù)介紹
ThreadPoolExecutor 最多可以設置 7 個參數(shù)，如下代碼所示：
- public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
- int maximumPoolSize,
- long keepAliveTime,
- TimeUnit unit,
- BlockingQueue
workQueue, - ThreadFactory threadFactory,
- RejectedExecutionHandler handler) {
- // 省略...
- }
7 個參數(shù)代表的含義如下：
參數(shù) 1：corePoolSize
核心線程數(shù)，線程池中始終存活的線程數(shù)。
參數(shù) 2：maximumPoolSize
最大線程數(shù)，線程池中允許的最大線程數(shù)，當線程池的任務隊列滿了之后可以創(chuàng)建的最大線程數(shù)。
參數(shù) 3：keepAliveTime
最大線程數(shù)可以存活的時間，當線程中沒有任務執(zhí)行時，最大線程就會銷毀一部分，最終保持核心線程數(shù)量的線程。
參數(shù) 4：unit:
單位是和參數(shù) 3 存活時間配合使用的，合在一起用于設定線程的存活時間 ，參數(shù) keepAliveTime 的時間單位有以下 7 種可選：
- TimeUnit.DAYS：天
- TimeUnit.HOURS：小時
- TimeUnit.MINUTES：分
- TimeUnit.SECONDS：秒
- TimeUnit.MILLISECONDS：毫秒
- TimeUnit.MICROSECONDS：微妙
- TimeUnit.NANOSECONDS：納秒
參數(shù) 5：workQueue
一個阻塞隊列，用來存儲線程池等待執(zhí)行的任務，均為線程安全，它包含以下 7 種類型：
- ArrayBlockingQueue：一個由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列。
- LinkedBlockingQueue：一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊列。
- SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列，即直接提交給線程不保持它們。
- PriorityBlockingQueue：一個支持優(yōu)先級排序的無界阻塞隊列。
- DelayQueue：一個使用優(yōu)先級隊列實現(xiàn)的無界阻塞隊列，只有在延遲期滿時才能從中提取元素。
- LinkedTransferQueue：一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊列。與SynchronousQueue類似，還含有非阻塞方法。
- LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊列。
較常用的是 LinkedBlockingQueue 和 Synchronous，線程池的排隊策略與 BlockingQueue 有關(guān)。
參數(shù) 6：threadFactory
線程工廠，主要用來創(chuàng)建線程，默認為正常優(yōu)先級、非守護線程。
參數(shù) 7：handler
拒絕策略，拒絕處理任務時的策略，系統(tǒng)提供了 4 種可選：
- AbortPolicy：拒絕并拋出異常。
- CallerRunsPolicy：使用當前調(diào)用的線程來執(zhí)行此任務。
- DiscardOldestPolicy：拋棄隊列頭部(最舊)的一個任務，并執(zhí)行當前任務。
- DiscardPolicy：忽略并拋棄當前任務。
默認策略為 AbortPolicy。
線程池的執(zhí)行流程
ThreadPoolExecutor 關(guān)鍵節(jié)點的執(zhí)行流程如下：
- 當線程數(shù)小于核心線程數(shù)時，創(chuàng)建線程。
- 當線程數(shù)大于等于核心線程數(shù)，且任務隊列未滿時，將任務放入任務隊列。
- 當線程數(shù)大于等于核心線程數(shù)，且任務隊列已滿：若線程數(shù)小于最大線程數(shù)，創(chuàng)建線程;若線程數(shù)等于最大線程數(shù)，拋出異常，拒絕任務。
線程池的執(zhí)行流程如下圖所示：
線程拒絕策略
我們來演示一下 ThreadPoolExecutor 的拒絕策略的觸發(fā)，我們使用 DiscardPolicy 的拒絕策略，它會忽略并拋棄當前任務的策略，實現(xiàn)代碼如下：
- public static void main(String[] args) {
- // 任務的具體方法
- Runnable runnable = new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("當前任務被執(zhí)行,執(zhí)行時間:" + new Date() +
- " 執(zhí)行線程:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 等待 1s
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- };
- // 創(chuàng)建線程,線程的任務隊列的長度為 1
- ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
- 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1),
- new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());
- // 添加并執(zhí)行 4 個任務
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- }
我們創(chuàng)建了一個核心線程數(shù)和最大線程數(shù)都為 1 的線程池，并且給線程池的任務隊列設置為 1，這樣當我們有 2 個以上的任務時就會觸發(fā)拒絕策略，執(zhí)行的結(jié)果如下圖所示：
從上述結(jié)果可以看出只有兩個任務被正確執(zhí)行了，其他多余的任務就被舍棄并忽略了。其他拒絕策略的使用類似，這里就不一一贅述了。
自定義拒絕策略
除了 Java 自身提供的 4 種拒絕策略之外，我們也可以自定義拒絕策略，示例代碼如下：
- public static void main(String[] args) {
- // 任務的具體方法
- Runnable runnable = new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("當前任務被執(zhí)行,執(zhí)行時間:" + new Date() +
- " 執(zhí)行線程:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 等待 1s
- TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- };
- // 創(chuàng)建線程,線程的任務隊列的長度為 1
- ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
- 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1),
- new RejectedExecutionHandler() {
- @Override
- public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
- // 執(zhí)行自定義拒絕策略的相關(guān)操作
- System.out.println("我是自定義拒絕策略~");
- }
- });
- // 添加并執(zhí)行 4 個任務
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- threadPool.execute(runnable);
- }
程序的執(zhí)行結(jié)果如下：
究竟選用哪種線程池?
經(jīng)過以上的學習我們對整個線程池也有了一定的認識了，那究竟該如何選擇線程池呢?
我們來看下阿里巴巴《Java開發(fā)手冊》給我們的答案：
- 【強制】線程池不允許使用 Executors 去創(chuàng)建，而是通過 ThreadPoolExecutor 的方式，這樣的處理方式讓寫的同學更加明確線程池的運行規(guī)則，規(guī)避資源耗盡的風險。
- 說明：Executors 返回的線程池對象的弊端如下：
- 1) FixedThreadPool 和 SingleThreadPool：允許的請求隊列長度為 Integer.MAX_VALUE，可能會堆積大量的請求，從而導致 OOM。
- 2)CachedThreadPool：允許的創(chuàng)建線程數(shù)量為 Integer.MAX_VALUE，可能會創(chuàng)建大量的線程，從而導致 OOM。
- 所以綜上情況所述，我們推薦使用 ThreadPoolExecutor 的方式進行線程池的創(chuàng)建，因為這種創(chuàng)建方式更可控，并且更加明確了線程池的運行規(guī)則，可以規(guī)避一些未知的風險。
總結(jié)
本文我們介紹了線程池的 7 種創(chuàng)建方式，其中最推薦使用的是 ThreadPoolExecutor 的方式進行線程池的創(chuàng)建，ThreadPoolExecutor 最多可以設置 7 個參數(shù)，當然設置 5 個參數(shù)也可以正常使用，ThreadPoolExecutor 當任務過多(處理不過來)時提供了 4 種拒絕策略，當然我們也可以自定義拒絕策略，希望本文的內(nèi)容能幫助到你。原創(chuàng)不易，覺得不錯就點個贊再走吧!
參考 & 鳴謝
https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html
https://www.cnblogs.com/pcheng/p/13540619.html
網(wǎng)頁名稱：線程池的7種創(chuàng)建方式，強烈推薦你用它...
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