一、簡介

什么是線程池

線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務(wù)添加到隊列，然后在創(chuàng)建線程后自動啟動這些任務(wù)。線程池線程都是后臺線程。每個線程都使用默認(rèn)的堆棧大小，以默認(rèn)的優(yōu)先級運行，并處于多線程單元中。如果某個線程在托管代碼中空閑(如正在等待某個事件),則線程池將插入另一個輔助線程來使所有處理器保持繁忙。如果所有線程池線程都始終保持繁忙，但隊列中包含掛起的工作，則線程池將在一段時間后創(chuàng)建另一個輔助線程但線程的數(shù)目永遠(yuǎn)不會超過最大值。超過最大值的線程可以排隊，但他們要等到其他線程完成后才啟動。

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線程池的功能

應(yīng)用程序可以有多個線程，這些線程在休眠狀態(tài)中需要耗費大量時間來等待事件發(fā)生。其他線程可能進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并且僅定期被喚醒以輪循更改或更新狀態(tài)信息，然后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了簡化對這些線程的管理，.NET框架為每個進(jìn)程提供了一個線程池，一個線程池有若干個等待操作狀態(tài)，當(dāng)一個等待操作完成時，線程池中的輔助線程會執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。線程池中的線程由系統(tǒng)管理，程序員不需要費力于線程管理，可以集中精力處理應(yīng)用程序任務(wù)。

二、Executor 框架

Executor 框架是一個根據(jù)一組執(zhí)行策略調(diào)用，調(diào)度，執(zhí)行和控制的異步任務(wù)的框架，目的是提供一種將”任務(wù)提交”與”任務(wù)如何運行”分離開來的機制。

核心 API 概述

Executor 框架核心 API 如下：

• Executor - 運行任務(wù)的簡單接口。
• ExecutorService - 擴展了 Executor 接口。擴展能力：
  • 支持有返回值的線程；
  • 支持管理線程的生命周期。
• ScheduledExecutorService - 擴展了 ExecutorService 接口。擴展能力：支持定期執(zhí)行任務(wù)。
• AbstractExecutorService - ExecutorService 接口的默認(rèn)實現(xiàn)。
• ThreadPoolExecutor - Executor 框架最核心的類，它繼承了 AbstractExecutorService 類。
• ScheduledThreadPoolExecutor - ScheduledExecutorService 接口的實現(xiàn)，一個可定時調(diào)度任務(wù)的線程池。
• Executors - 可以通過調(diào)用 Executors 的靜態(tài)工廠方法來創(chuàng)建線程池并返回一個 ExecutorService 對象。

Executor

Executor 接口中只定義了一個 execute 方法，用于接收一個 Runnable 對象。

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

ExecutorService 接口繼承了 Executor 接口，它還提供了 invokeAll、invokeAny、shutdown、submit 等方法。

public interface ExecutorService extends Executor {

    void shutdown();

    List shutdownNow();

    boolean isShutdown();

    boolean isTerminated();

    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

     Future submit(Callable task);

     Future submit(Runnable task, T result);

    Future submit(Runnable task);

     List> invokeAll(Collection> tasks)
        throws InterruptedException;

     List> invokeAll(Collection> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

     T invokeAny(Collection> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

     T invokeAny(Collection> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

從其支持的方法定義，不難看出：相比于 Executor 接口，ExecutorService 接口主要的擴展是：

• 支持有返回值的線程 - sumbit、invokeAll、invokeAny 方法中都支持傳入Callable 對象。
• 支持管理線程生命周期 - shutdown、shutdownNow、isShutdown 等方法。

ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 接口擴展了 ExecutorService 接口。

它除了支持前面兩個接口的所有能力以外，還支持定時調(diào)度線程。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    public ScheduledFuture schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);

    public  ScheduledFuture schedule(Callable callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);

    public ScheduledFuture scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    public ScheduledFuture scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

其擴展的接口提供以下能力：

• schedule 方法可以在指定的延時后執(zhí)行一個 Runnable 或者 Callable 任務(wù)。
• scheduleAtFixedRate 方法和 scheduleWithFixedDelay 方法可以按照指定時間間隔，定期執(zhí)行任務(wù)。

三、ThreadPoolExecutor

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 類是 Executor 框架中最核心的類。所以，本文將著重講述一下這個類。

重要字段

ThreadPoolExecutor 有以下重要字段：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

參數(shù)說明：

• ctl - 用于控制線程池的運行狀態(tài)和線程池中的有效線程數(shù)量。它包含兩部分的信息：
  • 線程池的運行狀態(tài) (runState)
  • 線程池內(nèi)有效線程的數(shù)量 (workerCount)
  • 可以看到，ctl 使用了 Integer 類型來保存，高 3 位保存 runState，低 29 位保存 workerCount。COUNT_BITS 就是 29，CAPACITY 就是 1 左移 29 位減 1（29 個 1），這個常量表示 workerCount 的上限值，大約是 5 億。
• 運行狀態(tài) - 線程池一共有五種運行狀態(tài)：
  • RUNNING - 運行狀態(tài)。接受新任務(wù)，并且也能處理阻塞隊列中的任務(wù)。
  • SHUTDOWN - 關(guān)閉狀態(tài)。不接受新任務(wù)，但可以處理阻塞隊列中的任務(wù)。
    • 在線程池處于 RUNNING 狀態(tài)時，調(diào)用 shutdown 方法會使線程池進(jìn)入到該狀態(tài)。
    • finalize 方法在執(zhí)行過程中也會調(diào)用 shutdown 方法進(jìn)入該狀態(tài)。
  • STOP - 停止?fàn)顟B(tài)。不接受新任務(wù)，也不處理隊列中的任務(wù)。會中斷正在處理任務(wù)的線程。在線程池處于 RUNNING 或 SHUTDOWN 狀態(tài)時，調(diào)用 shutdownNow 方法會使線程池進(jìn)入到該狀態(tài)。
  • TIDYING - 整理狀態(tài)。如果所有的任務(wù)都已終止了，workerCount (有效線程數(shù)) 為 0，線程池進(jìn)入該狀態(tài)后會調(diào)用 terminated 方法進(jìn)入 TERMINATED 狀態(tài)。
  • TERMINATED - 已終止?fàn)顟B(tài)。在 terminated 方法執(zhí)行完后進(jìn)入該狀態(tài)。默認(rèn) terminated 方法中什么也沒有做。進(jìn)入 TERMINATED 的條件如下：
    • 線程池不是 RUNNING 狀態(tài)；
    • 線程池狀態(tài)不是 TIDYING 狀態(tài)或 TERMINATED 狀態(tài)；
    • 如果線程池狀態(tài)是 SHUTDOWN 并且 workerQueue 為空；
    • workerCount 為 0；
    • 設(shè)置 TIDYING 狀態(tài)成功。

構(gòu)造方法

ThreadPoolExecutor 有四個構(gòu)造方法，前三個都是基于第四個實現(xiàn)。第四個構(gòu)造方法定義如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {

參數(shù)說明：

• corePoolSize - 核心線程數(shù)量。當(dāng)有新任務(wù)通過 execute 方法提交時 ，線程池會執(zhí)行以下判斷：
  • 如果運行的線程數(shù)少于 corePoolSize，則創(chuàng)建新線程來處理任務(wù)，即使線程池中的其他線程是空閑的。
  • 如果線程池中的線程數(shù)量大于等于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize，則只有當(dāng) workQueue 滿時才創(chuàng)建新的線程去處理任務(wù)；
  • 如果設(shè)置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，則創(chuàng)建的線程池的大小是固定的。這時如果有新任務(wù)提交，若 workQueue 未滿，則將請求放入 workQueue 中，等待有空閑的線程去從 workQueue 中取任務(wù)并處理；
  • 如果運行的線程數(shù)量大于等于 maximumPoolSize，這時如果 workQueue 已經(jīng)滿了，則使用 handler 所指定的策略來處理任務(wù)；
  • 所以，任務(wù)提交時，判斷的順序為 corePoolSize => workQueue => maximumPoolSize。
• maximumPoolSize - 最大線程數(shù)量。
  • 如果隊列滿了，并且已創(chuàng)建的線程數(shù)小于最大線程數(shù)，則線程池會再創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)。
  • 值得注意的是：如果使用了***的任務(wù)隊列這個參數(shù)就沒什么效果。
• keepAliveTime：線程保持活動的時間。
  • 當(dāng)線程池中的線程數(shù)量大于 corePoolSize 的時候，如果這時沒有新的任務(wù)提交，核心線程外的線程不會立即銷毀，而是會等待，直到等待的時間超過了 keepAliveTime。
  • 所以，如果任務(wù)很多，并且每個任務(wù)執(zhí)行的時間比較短，可以調(diào)大這個時間，提高線程的利用率。
• unit - keepAliveTime 的時間單位。有 7 種取值?？蛇x的單位有天（DAYS），小時（HOURS），分鐘（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
• workQueue - 等待執(zhí)行的任務(wù)隊列。用于保存等待執(zhí)行的任務(wù)的阻塞隊列。 可以選擇以下幾個阻塞隊列。
  • ArrayBlockingQueue - 有界阻塞隊列。
    • 此隊列是基于數(shù)組的先進(jìn)先出隊列（FIFO）。
    • 此隊列創(chuàng)建時必須指定大小。
  • LinkedBlockingQueue - ***阻塞隊列。
    • 此隊列是基于鏈表的先進(jìn)先出隊列（FIFO）。
    • 如果創(chuàng)建時沒有指定此隊列大小，則默認(rèn)為 Integer.MAX_VALUE。
    • 吞吐量通常要高于 ArrayBlockingQueue。
    • 使用 LinkedBlockingQueue 意味著： maximumPoolSize 將不起作用，線程池能創(chuàng)建的最大線程數(shù)為 corePoolSize，因為任務(wù)等待隊列是***隊列。
    • Executors.newFixedThreadPool 使用了這個隊列。
  • SynchronousQueue - 不會保存提交的任務(wù)，而是將直接新建一個線程來執(zhí)行新來的任務(wù)。
    • 每個插入操作必須等到另一個線程調(diào)用移除操作，否則插入操作一直處于阻塞狀態(tài)。
    • 吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue。
    • Executors.newCachedThreadPool 使用了這個隊列。
  • PriorityBlockingQueue - 具有優(yōu)先級的***阻塞隊列。
• threadFactory - 線程工廠?？梢酝ㄟ^線程工廠給每個創(chuàng)建出來的線程設(shè)置更有意義的名字。
• handler - 飽和策略。它是 RejectedExecutionHandler 類型的變量。當(dāng)隊列和線程池都滿了，說明線程池處于飽和狀態(tài)，那么必須采取一種策略處理提交的新任務(wù)。線程池支持以下策略：
  • AbortPolicy - 丟棄任務(wù)并拋出異常。這也是默認(rèn)策略。
  • DiscardPolicy - 丟棄任務(wù)，但不拋出異常。
  • DiscardOldestPolicy - 丟棄隊列最前面的任務(wù)，然后重新嘗試執(zhí)行任務(wù)（重復(fù)此過程）。
  • CallerRunsPolicy - 只用調(diào)用者所在的線程來運行任務(wù)。
  • 如果以上策略都不能滿足需要，也可以通過實現(xiàn) RejectedExecutionHandler 接口來定制處理策略。如記錄日志或持久化不能處理的任務(wù)。

execute 方法

默認(rèn)情況下，創(chuàng)建線程池之后，線程池中是沒有線程的，需要提交任務(wù)之后才會創(chuàng)建線程。

提交任務(wù)可以使用 execute 方法，它是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通過這個方法可以向線程池提交一個任務(wù)，交由線程池去執(zhí)行。

execute 方法工作流程如下：

1. 如果 workerCount < corePoolSize，則創(chuàng)建并啟動一個線程來執(zhí)行新提交的任務(wù)；
2. 如果 workerCount >= corePoolSize，且線程池內(nèi)的阻塞隊列未滿，則將任務(wù)添加到該阻塞隊列中；
3. 如果 workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且線程池內(nèi)的阻塞隊列已滿，則創(chuàng)建并啟動一個線程來執(zhí)行新提交的任務(wù)；
4. 如果workerCount >= maximumPoolSize，并且線程池內(nèi)的阻塞隊列已滿，則根據(jù)拒絕策略來處理該任務(wù), 默認(rèn)的處理方式是直接拋異常。

其他重要方法

在 ThreadPoolExecutor 類中還有一些重要的方法：

• submit - 類似于 execute，但是針對的是有返回值的線程。submit 方法是在 ExecutorService 中聲明的方法，在 AbstractExecutorService 就已經(jīng)有了具體的實現(xiàn)。ThreadPoolExecutor 直接復(fù)用 AbstractExecutorService 的 submit 方法。
• shutdown - 不會立即終止線程池，而是要等所有任務(wù)緩存隊列中的任務(wù)都執(zhí)行完后才終止，但再也不會接受新的任務(wù)。
  • 將線程池切換到 SHUTDOWN 狀態(tài)；
  • 并調(diào)用 interruptIdleWorkers 方法請求中斷所有空閑的 worker；
  • 最后調(diào)用 tryTerminate 嘗試結(jié)束線程池。
• shutdownNow - 立即終止線程池，并嘗試打斷正在執(zhí)行的任務(wù)，并且清空任務(wù)緩存隊列，返回尚未執(zhí)行的任務(wù)。與 shutdown 方法類似，不同的地方在于：
  • 設(shè)置狀態(tài)為 STOP；
  • 中斷所有工作線程，無論是否是空閑的；
  • 取出阻塞隊列中沒有被執(zhí)行的任務(wù)并返回。
• isShutdown - 調(diào)用了 shutdown 或 shutdownNow 方法后，isShutdown 方法就會返回 true。
• isTerminaed - 當(dāng)所有的任務(wù)都已關(guān)閉后，才表示線程池關(guān)閉成功，這時調(diào)用 isTerminaed 方法會返回 true。
• setCorePoolSize - 設(shè)置核心線程數(shù)大小。
• setMaximumPoolSize - 設(shè)置最大線程數(shù)大小。
• getTaskCount - 線程池已經(jīng)執(zhí)行的和未執(zhí)行的任務(wù)總數(shù)；
• getCompletedTaskCount - 線程池已完成的任務(wù)數(shù)量，該值小于等于 taskCount；
• getLargestPoolSize - 線程池曾經(jīng)創(chuàng)建過的最大線程數(shù)量。通過這個數(shù)據(jù)可以知道線程池是否滿過，也就是達(dá)到了 maximumPoolSize；
• getPoolSize - 線程池當(dāng)前的線程數(shù)量；
• getActiveCount - 當(dāng)前線程池中正在執(zhí)行任務(wù)的線程數(shù)量。

使用示例

public class ThreadPoolExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 500, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue(),
            Executors.defaultThreadFactory(),
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPoolExecutor.execute(new MyThread());
            String info = String.format("線程池中線程數(shù)目：%s，隊列中等待執(zhí)行的任務(wù)數(shù)目：%s，已執(zhí)行玩別的任務(wù)數(shù)目：%s",
                threadPoolExecutor.getPoolSize(),
                threadPoolExecutor.getQueue().size(),
                threadPoolExecutor.getCompletedTaskCount());
            System.out.println(info);
        }
        threadPoolExecutor.shutdown();
    }

    static class MyThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
        }

    }

}

四、Executors

JDK 的 Executors 類中提供了幾種具有代表性的線程池，這些線程池 都是基于 ThreadPoolExecutor 的定制化實現(xiàn)。

在實際使用線程池的場景中，我們往往不是直接使用 ThreadPoolExecutor ，而是使用 JDK 中提供的具有代表性的線程池實例。

newSingleThreadExecutor

創(chuàng)建一個單線程的線程池。

只會創(chuàng)建唯一的工作線程來執(zhí)行任務(wù)，保證所有任務(wù)按照指定順序(FIFO, LIFO, 優(yōu)先級)執(zhí)行。 如果這個唯一的線程因為異常結(jié)束，那么會有一個新的線程來替代它 。

單工作線程最大的特點是：可保證順序地執(zhí)行各個任務(wù)。

示例：

public class SingleThreadExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newFixedThreadPool

創(chuàng)建一個固定大小的線程池。

每次提交一個任務(wù)就會新創(chuàng)建一個工作線程，如果工作線程數(shù)量達(dá)到線程池最大線程數(shù)，則將提交的任務(wù)存入到阻塞隊列中。

FixedThreadPool 是一個典型且優(yōu)秀的線程池，它具有線程池提高程序效率和節(jié)省創(chuàng)建線程時所耗的開銷的優(yōu)點。但是，在線程池空閑時，即線程池中沒有可運行任務(wù)時，它不會釋放工作線程，還會占用一定的系統(tǒng)資源。

示例：

public class FixedThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newCachedThreadPool

創(chuàng)建一個可緩存的線程池。

• 如果線程池長度超過處理任務(wù)所需要的線程數(shù)，就會回收部分空閑的線程；
• 如果長時間沒有往線程池中提交任務(wù)，即如果工作線程空閑了指定的時間（默認(rèn)為 1 分鐘），則該工作線程將自動終止。終止后，如果你又提交了新的任務(wù)，則線程池重新創(chuàng)建一個工作線程。
• 此線程池不會對線程池大小做限制，線程池大小完全依賴于操作系統(tǒng)（或者說 JVM）能夠創(chuàng)建的最大線程大小。 因此，使用 CachedThreadPool時，一定要注意控制任務(wù)的數(shù)量，否則，由于大量線程同時運行，很有會造成系統(tǒng)癱瘓。

示例：

public class CachedThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

newScheduleThreadPool

創(chuàng)建一個大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執(zhí)行任務(wù)的需求。

public class ScheduledThreadPoolDemo {

    public static void main(String[] args) {
        schedule();
        scheduleAtFixedRate();
    }

    private static void schedule() {
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.schedule(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
                }
            }, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        executorService.shutdown();
    }

    private static void scheduleAtFixedRate() {
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行");
                }
            }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        executorService.shutdown();
    }

}