Java并发编程——线程池

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1、线程池工作原理

　　Java线程池主要用于管理线程组及其运行状态。其主要作用是线程复用、线程资源管理、控制操作系统的最大并发数。

　　Java线程池的工作原理：JVM先根据用户的参数创建一定数量的可运行的线程任务，并将其放入队列中，在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大线程数量，则超出数量的线程排队等候，在有任务执行完毕后，线程池调度器会发现有可用的线程，进而再次从队列中取出任务并执行。

1.1 线程池的核心组件

　　线程池主要有4个核心组件组成：

• 线程池管理器：用于创建并管理线程池。
• 工作线程：线程池中执行具体任务的线程。
• 任务接口：用于定义工作线程的调度和执行策略，只有线程实现了该接口任务才能被线程池调度。
• 任务队列：存放待处理任务，新的任务将会不断被加入队列中，执行完成的任务将被从队列中移除。

1.2 线程池的核心类

　　Java线程池是通过Executor框架实现，该框架的核心类包括：Executor、Executors，ExecutorService、ThreadPoolExecutor、Callable、Future、FutureTash。

具体继承关系如下：

　　其中，ThreadPoolExecutor是构建线程的核心构造方法，该方法的定义如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue){
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);  
}

　　ThreadPoolExecutor构造函数的具体函数如下表：

corePoolSize

maximumPoolSize

keepAliveTime

unit

workQueue

threadFactory

handler

1.3 线程池的工作流程

　　Java线程池的工作流程为：

1. 线程池刚被创建时，只是向系统申请一个用于执行线程队列和管理线程池的线程资源。在调用execute()添加任务时，线程池开始按流程执行任务。
2. 如果正在运行的线程数量少于corePoolSize，线程池就会立刻创建线程并执行该线程任务。
3. 如果正在运行的线程数量大于等于corePoolSize，该任务将被放入阻塞队列中。
4. 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量小于maximumPoolSize时，线程池会创建非核心线程立刻执行该线程任务。
5. 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量大于等于maximumPoolSize时，线程池将拒绝执行该线程任务并抛出RejectExecutionException异常。
6. 在线程任务执行完毕后，该任务将被从线程池队列中移除，线程池将从队列中取下一个线程任务继续执行。
7. 在线程处于空闲状态的时间超过keepAliveTime时间时，正在运行的线程数量超过corePoolSize，该线程将会被认定为空闲线程并停止。在线程池中所有线程任务都执行完毕后，线程池会收缩到corePoolSize大小。

具体流程如图：

1.4 线程池的拒绝策略

　　JDK内置的拒绝策略有AboutPolicy，CallerRunsPolicy，DiscardOldestPolicy，DiscardPolicy这4种，也可以自定义拒绝策略。

　　1、AboutPolicy

　　AboutPolicy直接抛出异常，阻止线程正常运行。

具体的JDK源码如下：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public AbortPolicy() { }

        //直接抛出异常信息，不做任何处理
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                                 " rejected from " +
                                                 e.toString());
    }
}

　　2、CallerRunsPolicy

　　CallerRunsPolicy的拒绝策略为：如果被丢弃的线程任务未关闭，则执行该线程任务。其实CallerRunsPolicy拒绝策略不会真的丢弃任务。

具体的JDK源码如下：

    public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
       
        public CallerRunsPolicy() { }

        //执行被丢弃的任务
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
        }
    }

　　3、DiscardOldestPolicy

　　DiscardOldestPolicy的拒绝策略为：移除线程队列中最早的一个线程任务，并尝试提交当前任务。

具体的JDK源码如下：

    public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        
        public DiscardOldestPolicy() { }

        
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                e.getQueue().poll();//丢弃线程队列中最老的一个线程任务
                e.execute(r);//尝试提交当前任务
            }
        }
    }

　　4、DiscardPolicy

　　DiscardPolicy的拒绝策略为：丢弃当前的线程任务而不做任何处理。如果系统允许在资源不足的情况下丢弃部分任务，可以保证系统安全和稳定。

具体的JDK源码如下：

    public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
       
        public DiscardPolicy() { }

        //直接丢弃线程，不做任何处理
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        }
    }

2、5种常用线程池

　　ExecutorService接口有多个实现类可用于创建不同的线程池。如下是5种常用的线程池。

2.1 newCachedThreadPool

　　newCachedThreadPool用于创建一个缓存线程池。其在创建新线程时，如果有可重用线程，则重用这些线程，否则重新创建一个新的线程并将其添加到线程池中。

　　newCachedThreadPool适用于执行时间很短的大量任务的情况。

创建方式如下：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

2.2 newFixedThreadPool

　　newFixedThreadPool用于创建一个固定线程数量的线程池，并将线程资源存放在队列中循环使用。

　　在newFixedThreadPool线程池中，如果活动状态的线程数量大于等于核心线程池线程数量，则新提交的任务将在阻塞队列中排队，直到有可用的线程资源。

创建方式如下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

2.3 newScheduledThreadPool

　　newScheduledThreadPool创建一个可定时调度的线程池，可设置在给定的延迟时间后执行或者定期执行某个线程任务。

创建方式如下：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);
//创建一个延迟3秒执行的线程
scheduledThreadPool.schedule(myRunnable,3, TimeUnit.SECONDS);
//创建一个延迟1秒执行且每3秒执行一次的线程
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(myRunnable,1,3,TimeUnit.SECONDS);

2.4 newSingleThreadExecutor

　　newSingleThreadExecutor线程池永远保证有且仅有一个可用线程，即便该线程停止或发生异常，newSingleThreadExecutor会启动一个新的线程来代替该线程。

创建方式如下：

ExecutorService singleThread = Executors.newSingleThreadExecutor();

2.5 newWorkStealingPool

　　newWorkStealingPool创建足够的线程的线程池以达到快速运算的目的。JDK根据当前线程的运行需求向操作系统申请足够的线程。

创建方式如下：

ExecutorService workStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();

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