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Java并发编程之线程池

一、概述

在执行并发任务时，我们可以把任务传递给一个线程池，来替代为每个并发执行的任务都启动一个新的线程，只要池里有空闲的线程，任务就会分配一个线程执行。在线程池的内部，任务被插入一个阻塞队列(BlockingQueue)，线程池里的线程会去取这个队列里的任务。

利用线程池有三个好处：

降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗
提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行
提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控

二、线程池的使用

1、创建线程池

 ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime,  　　TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler）

创建一个线程池需要的几个参数：

corePoolSize：线程池的基本大小，当提交一个任务到线程池，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于corePoolSize时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
maximumPoolSize：线程池最大大小，线程池允许创建的最大线程数，如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。
keepAliveTime：线程活动保持时间，线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。
unit：线程活动保持时间的单位
workQueue：任务队列，用于保存等待执行的任务的阻塞队列，可以选择以下几个队列：

1、ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。

2、LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出）排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。

3、SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。

4、PriorityBlockingQueue：一个具有优先级得无限阻塞队列。

threadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工程给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
handler：饱和策略，当线程池和队列都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。

此外，我们还可以通过调用Ececutors中的某个静态工厂方法来创建一个线程池(它们的内部实现原理都是相同的，仅仅是使用了不同的工作队列或线程池大小)：

newFixedThreadPool：创建一个定长的线程池，每当提交一个任务就创建一个线程，直到达到池的最大长度，这时线程池会保持长度不在变化

newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池，如果当前的线程池的长度超过了处理的需要时，它可以灵活的回收空闲的线程，当需求增加时，它可以灵活的添加新的线程，并不会对池的长度做任何限制

newSingleThreadPool：创建一个单线程化的executor，它只会创建唯一的工作者线程来执行任务

newScheduledThreadPool：创建一个定长的线程池，而且支持定时的以及周期性的任务执行，类似于Timer

2、向线程池提交任务

可以使用execute向线程池提交任务：

 public class Test2 {     public static void main(String[] args)     {         BlockingQueue<Runnable> workQueue=new LinkedBlockingDeque<Runnable>();         ThreadPoolExecutor poolExecutor=new ThreadPoolExecutor(2, 3, 60, TimeUnit.SECONDS, workQueue);         poolExecutor.execute(new Task1());         poolExecutor.execute(new Task2()); 　　　　 poolExecutor.shutdown();     } } class Task1 implements Runnable {      public void run()     {         System.out.println("执行任务1");     } } class Task2 implements Runnable {      public void run()     {         System.out.println("执行任务2");     } }

也可以使用submit方法来提交任务，它会返回一个future，我们可以通过这个future来判断任务是否执行成功，通过future的get方法获取返回值，get方法会阻塞直到任务完成。

 public class Test3 {     public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException     {         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();         List<Future<String>> resultList = new ArrayList<Future<String>>();            // 创建10个任务并执行         for (int i = 0; i < 10; i++)         {             // 使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中             Future<String> future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));             resultList.add(future);         }         for (Future<String> future : resultList)         {             while (!future.isDone());// Future返回如果没有完成，则一直循环等待，直到Future返回完成             {                 System.out.println(future.get()); // 打印各个线程（任务）执行的结果             }         }         executorService.shutdown();     } } class TaskWithResult implements Callable<String> {     private int id;     public TaskWithResult(int id)     {         this.id = id;     }     public String call() throws Exception     {         return "执行结果"+id;     } }

3、线程关闭

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池，但是它们的实现原理不同，shutdown的原理是只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。shutdownNow的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。shutdownNow会首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表。

只要调用了这两个关闭方法的其中一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于我们应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow。

三、线程池的执行过程

整个ThreadExecutor的任务处理经过下面4个步骤，如下图所示：

Java并发编程之线程池

1、如果当前的线程数<corePoolSize，提交的Runnable任务，会直接作为new Thread的参数，立即执行，当提交的任务数超过了corePoolSize，就进入第二部操作

2、将当前的任务提交到BlockingQueue阻塞队列中，如果Block Queue是个有界队列，当队列满了之后就进入第三步

3、如果poolSize < maximumPoolsize时，会尝试new 一个Thread的进行救急处理，执行对应的runnable任务

4、如果第三步也无法处理，就会用RejectedExecutionHandler来做拒绝处理

四、执行定时及周期性任务

Timer工具管理任务的定时以及周期性执行。示例代码如下：

 public class TimerTest {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间："+sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(3000);//模拟任务1执行时间为3秒                 }                 catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         System.out.println("当前时间："+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),4000); //间隔4秒周期性执行     } }

执行结果：

Java并发编程之线程池

可以看到上述任务1以4秒为间隔周期性执行。但是Timer存在一些缺陷，主要是下面两个方面的问题：

缺陷1 ： Timer只创建唯一的线程的来执行所有的Timer任务，如果一个time任务的执行很耗时，会导致其他的TimeTask的时效准确性出问题。看下面的例子：

 public class TimerTest {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间："+sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(10000);                 }                 catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         TimerTask timerTask2=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                                  System.out.println("任务2执行时间："+sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间："+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),1000); //间隔1秒周期性执行         timer.schedule(timerTask2, new Date(),4000); //间隔4秒周期性执行     } }

执行结果：

Java并发编程之线程池

缺陷2 ：如果TimeTask抛出未检查的异常，Timer将产生无法预料的行为。Timer线程并不捕获线程，所有TimerTask抛出的未检查的异常会终止timer线程。看下面的代码：

 public class TimerTest2 {     final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");      public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间："+sdf.format(new Date()));                 throw new RuntimeException();             }         };                  TimerTask timerTask2=new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务2执行时间："+sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间："+sdf.format(new Date()));         Timer timer=new Timer();         timer.schedule(timerTask1, new Date(),1000); //周期1秒执行任务1         timer.schedule(timerTask2, new Date() ,3000); //周期3秒执行任务2              } }

执行结果为：

Java并发编程之线程池

针对上述的两个问题，我们可以使用ScheduledThreadPoolExecutor来作为Timer的替代。

针对问题1，有下面代码：

 public class ScheduledThreadPoolExecutorTest {     final static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");     public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1 = new TimerTask()         {              @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间：" + sdf.format(new Date()));                 try                 {                     Thread.sleep(10000);                 } catch (InterruptedException e)                 {                     // TODO 自动生成的 catch 块                     e.printStackTrace();                 }             }         };         TimerTask timerTask2 = new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务2执行时间：" + sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间：" + sdf.format(new Date()));         ScheduledThreadPoolExecutor poolExecutor=new ScheduledThreadPoolExecutor(2);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask1, 0, 1000,TimeUnit.MILLISECONDS);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask2,  0, 4000,TimeUnit.MILLISECONDS);     } }

执行的结果为：

Java并发编程之线程池

针对问题2，有下面代码：

 public class ScheduledThreadPoolExecutorTest2 {     final static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");     public static void main(String[] args)     {         TimerTask timerTask1 = new TimerTask()         {              @Override             public void run()             {                 System.out.println("任务1执行时间：" + sdf.format(new Date()));                 throw new RuntimeException();             }         };         TimerTask timerTask2 = new TimerTask()         {             @Override             public void run()             {                  System.out.println("任务2执行时间：" + sdf.format(new Date()));             }         };         System.out.println("当前时间：" + sdf.format(new Date()));         ScheduledThreadPoolExecutor poolExecutor=new ScheduledThreadPoolExecutor(2);         poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask1, 0, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);           poolExecutor.scheduleAtFixedRate(timerTask2, 0, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);     } }

执行结果为：

Java并发编程之线程池