jdk自带线程池详解

一、前言

在最近做的一个项目中，需要大量的使用到多线程和线程池，下面就Java自带的线程池和大家一起分享。

二、简介

多线程技术主要解决处理器单元内多个线程执行的问题，它可以显著减少处理器单元的闲置时间，增加处理器单元的吞吐能力，但频繁的创建线程的开销是很大的，那么如何来减少这部分的开销了，那么就要考虑使用线程池了。线程池就是一个线程的容器，每次只执行额定数量的线程，线程池就是用来管理这些额定数量的线程。

三、涉及线程池的类结构图



其中供我们使用的，主要是ThreadPoolExecutor类。

四、如何创建线程池

我们创建线程池一般有以下几种方法：

1、使用Executors工厂类

Executors主要提供了下面几种创建线程池的方法：



下面来看下使用示例：

1)newFixedThreadPool(固定大小的线程池)

[java]
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public class FixedThreadPool {  
    public static void main(String[] args) {  
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);// 创建一个固定大小为5的线程池  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            pool.submit(new MyThread());  
        }  
        pool.shutdown();  
    }  
}  

[java]
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public class MyThread extends Thread {  
    @Override  
    public void run() {  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在执行。。。");  
    }  
}  

测试结果如下：

[java]
view plain
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pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-2正在执行。。。  
pool-1-thread-3正在执行。。。  
pool-1-thread-2正在执行。。。  
pool-1-thread-3正在执行。。。  
pool-1-thread-2正在执行。。。  
pool-1-thread-2正在执行。。。  
pool-1-thread-3正在执行。。。  
pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-4正在执行。。。  

固定大小的线程池:每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程线。

2)newSingleThreadExecutor(单线程的线程池)

[java]
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public class SingleThreadPool {  
    public static void main(String[] args) {    
        ExecutorService pool=Executors.newSingleThreadExecutor();//创建一个单线程池    
        for(int i=0;i<100;i++){    
            pool.submit(new MyThread());    
        }    
        pool.shutdown();    
    }  
}  

测试结果如下：

[java]
view plain
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pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  

单线程的线程池:这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

3)newScheduledThreadPool

[java]
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public class ScheduledThreadPool {  
    public static void main(String[] args) {    
        ScheduledExecutorService pool=Executors.newScheduledThreadPool(6);    
        for(int i=0;i<10000;i++){    
            pool.submit(new MyThread());    
        }    
            
        pool.schedule(new MyThread(), 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);    
        pool.schedule(new MyThread(), 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);    
        pool.shutdown();    
    }    
}  

测试结果如下：

[java]
view plain
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pool-1-thread-1正在执行。。。  
pool-1-thread-6正在执行。。。  
pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-4正在执行。。。  
pool-1-thread-2正在执行。。。  
pool-1-thread-3正在执行。。。  
pool-1-thread-4正在执行。。。  
pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-6正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  
…………此处会延时1S…………  
pool-1-thread-4正在执行。。。  
pool-1-thread-1正在执行。。。  

测试结果的最后两个线程都是在延时1S之后，才开始执行的。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求
4)newCachedThreadPool(可缓存的线程池)

[java]
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public class CachedThreadPool {  
    public static void main(String[] args) {    
        ExecutorService pool=Executors.newCachedThreadPool();    
        for(int i=0;i<100;i++){    
            pool.submit(new MyThread());    
        }    
        pool.shutdown();    
    }    
}  

测试结果如下：

[java]
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pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-7正在执行。。。  
pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-16正在执行。。。  
pool-1-thread-17正在执行。。。  
pool-1-thread-16正在执行。。。  
pool-1-thread-5正在执行。。。  
pool-1-thread-7正在执行。。。  
pool-1-thread-16正在执行。。。  
pool-1-thread-18正在执行。。。  
pool-1-thread-10正在执行。。。  

可缓存的线程池：如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。
官方建议程序员使用较为方便的Executors工厂方法Executors.newCachedThreadPool()（无界线程池，可以进行自动线程回收）、Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小线程池）Executors.newSingleThreadExecutor()（单个后台线程），这几种线程池均为大多数使用场景预定义了默认配置。

2、继承ThreadPoolExecutor类，并复写父类的构造方法。

在介绍这种方式之前，我们来分析下前面几个创建线程池的底层代码是怎样的？

[java]
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public class Executors {  
    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {  
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,  
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,  
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());  
}  
  
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {  
        return new FinalizableDelegatedExecutorService  
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,  
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,  
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));  
    }  
}  

从Executors工厂类的底层代码可以看出，工厂类提供的创建线程池的方法，其实都是通过构造ThreadPoolExecutor来实现的。ThreadPoolExecutor构造方法代码如下：

[java]
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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,  
                              int maximumPoolSize,  
                              long keepAliveTime,  
                              TimeUnit unit,  
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,  
                              ThreadFactory threadFactory,  
                              RejectedExecutionHandler handler) {  
        if (corePoolSize < 0 ||  
            maximumPoolSize <= 0 ||  
            maximumPoolSize < corePoolSize ||  
            keepAliveTime < 0)  
            throw new IllegalArgumentException();  
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)  
            throw new NullPointerException();  
        this.corePoolSize = corePoolSize;  
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;  
        this.workQueue = workQueue;  
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);  
        this.threadFactory = threadFactory;  
        this.handler = handler;  
    }  

那么接下来，我们就来谈谈这个ThreadPoolExecutor构造方法。在这个构造方法中，主要有以下几个参数：

corePoolSize--池中所保存的线程数，包括空闲线程。 maximumPoolSize--池中允许的最大线程数。 keepAliveTime--当线程数大于corePoolSize时，此为终止空闲线程等待新任务的最长时间。 Unit--keepAliveTime 参数的时间单位。 workQueue--执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由 execute方法提交的 Runnable任务。 threadFactory--执行程序创建新线程时使用的工厂。 Handler--由于超出线程范围和队列容量而使执行被阻塞时所使用的处理程序。

接下来，咋们来说下这几个参数之间的关系。当线程池刚创建的时候，线程池里面是没有任何线程的(注意，并不是线程池一创建，里面就创建了一定数量的线程)，当调用execute()方法添加一个任务时，线程池会做如下的判断：

1)如果当前正在运行的线程数量小于corePoolSize，那么立刻创建一个新的线程，执行这个任务。

2)如果当前正在运行的线程数量大于或等于corePoolSize，那么这个任务将会放入队列中。

3)如果线程池的队列已经满了，但是正在运行的线程数量小于maximumPoolSize，那么还是会创建新的线程，执行这个任务。

4)如果队列已经满了，且当前正在运行的线程数量大于或等于maximumPoolSize，那么线程池会根据拒绝执行策略来处理当前的任务。

5)当一个任务执行完后，线程会从队列中取下一个任务来执行，如果队列中没有需要执行的任务，那么这个线程就会处于空闲状态，如果超过了keepAliveTime存活时间，则这个线程会被线程池回收(注：回收线程是有条件的，如果当前运行的线程数量大于corePoolSize的话，这个线程就会被销毁，如果不大于corePoolSize，是不会销毁这个线程的，线程的数量必须保持在corePoolSize数量内).为什么不是线程一空闲就回收，而是需要等到超过keepAliveTime才进行线程的回收了，原因很简单：因为线程的创建和销毁消耗很大，更不能频繁的进行创建和销毁，当超过keepAliveTime后，发现确实用不到这个线程了，才会进行销毁。这其中unit表示keepAliveTime的时间单位，unit的定义如下：

[java]
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public enum TimeUnit {  
    NANOSECONDS {  
        // keepAliveTime以纳秒为单位  
    },  
    MICROSECONDS {  
       // keepAliveTime以微秒为单位  
    },  
    MILLISECONDS {  
       // keepAliveTime以毫秒为单位  
    },  
    SECONDS {  
        // keepAliveTime以秒为单位  
    },  
    MINUTES {  
       // keepAliveTime以分钟为单位  
    },  
    HOURS {  
       // keepAliveTime以小时为单位  
    },  
    DAYS {  
        // keepAliveTime以天为单位  
    };  

下面从源码来分析一下，对于上面的几种情况，主要涉及到的源码有以下几块：

[java]
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private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {  
        Thread t = null;  
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
        mainLock.lock();  
        try {  
            if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)  
                t = addThread(firstTask);  
        } finally {  
            mainLock.unlock();  
        }  
        if (t == null)  
            return false;  
        t.start();  
        return true;  
}  
  
其实，这段代码很简单，主要描述的就是，如果当前的线程池小于corePoolSize的时候，是直接新建一个线程来处理任务。  
private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {  
        Thread t = null;  
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
        mainLock.lock();  
        try {  
            if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)  
                t = addThread(firstTask);  
        } finally {  
            mainLock.unlock();  
        }  
        if (t == null)  
            return false;  
        t.start();  
        return true;  
}  
  
上面这段代码描述的是，如果当前线程池的数量小于maximumPoolSize的时候，也会创建一个线程，来执行任务  

五、线程池的队列
线程池的队列，总的来说有3种：

直接提交：工作队列的默认选项是 SynchronousQueue，它将任务直接提交给线程而不保持它们。在此，如果不存在可用于立即运行任务的线程，则试图把任务加入队列将失败，因此会构造一个新的线程。此策略可以避免在处理可能具有内部依赖性的请求集时出现锁。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes 以避免拒绝新提交的任务。当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。

无界队列：使用无界队列（例如，不具有预定义容量的 LinkedBlockingQueue）将导致在所有 corePoolSize 线程都忙时新任务在队列中等待。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize。（因此，maximumPoolSize的值也就无效了。）当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列；例如，在 Web页服务器中。这种排队可用于处理瞬态突发请求，当命令以超过队列所能处理的平均数连续到达时，此策略允许无界线程具有增长的可能性。

有界队列：当使用有限的 maximumPoolSizes时，有界队列（如 ArrayBlockingQueue）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制。队列大小和最大池大小可能需要相互折衷：使用大型队列和小型池可以最大限度地降低 CPU 使用率、操作系统资源和上下文切换开销，但是可能导致人工降低吞吐量。如果任务频繁阻塞（例如，如果它们是 I/O边界），则系统可能为超过您许可的更多线程安排时间。使用小型队列通常要求较大的池大小，CPU使用率较高，但是可能遇到不可接受的调度开销，这样也会降低吞吐量。

下面就来说下线程池的队列，类结构图如下：



1)SynchronousQueue

该队列对应的就是上面所说的直接提交，首先SynchronousQueue是无界的，也就是说他存数任务的能力是没有限制的，但是由于该Queue本身的特性，在某次添加元素后必须等待其他线程取走后才能继续添加。

2)LinkedBlockingQueue

该队列对应的就是上面的无界队列。

3)ArrayBlockingQueue

该队列对应的就是上面的有界队列。ArrayBlockingQueue有以下3中构造方法：

[java]
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public ArrayBlockingQueue(int capacity) {  
        this(capacity, false);  
    }  
  
      
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {  
        if (capacity <= 0)  
            throw new IllegalArgumentException();  
        this.items = (E[]) new Object[capacity];  
        lock = new ReentrantLock(fair);  
        notEmpty = lock.newCondition();  
        notFull =  lock.newCondition();  
}  
  
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,  
                              Collection<? extends E> c) {  
        this(capacity, fair);  
        if (capacity < c.size())  
            throw new IllegalArgumentException();  
  
        for (Iterator<? extends E> it = c.iterator(); it.hasNext();)  
            add(it.next());  
    }  

下面我们重点来说下这个fair，fair表示队列访问线程的竞争策略，当为true的时候，任务插入队列遵从FIFO的规则，如果为false，则可以“插队”。举个例子，假如现在有很多任务在排队，这个时候正好一个线程执行完了任务，同时又新来了一个任务，如果为false的话，这个任务不用在队列中排队，可以直接插队，然后执行。如下图所示：



六、线程池的拒绝执行策略

当线程的数量达到最大值时，这个时候，任务还在不断的来，这个时候，就只好拒绝接受任务了。

ThreadPoolExecutor 允许自定义当添加任务失败后的执行策略。你可以调用线程池的 setRejectedExecutionHandler() 方法，用自定义的RejectedExecutionHandler 对象替换现有的策略，ThreadPoolExecutor提供的默认的处理策略是直接丢弃，同时抛异常信息，ThreadPoolExecutor 提供 4 个现有的策略，分别是：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：表示拒绝任务并抛出异常，源码如下：

[java]
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public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {  
        /** 
         * Creates an <tt>AbortPolicy</tt>. 
         */  
        public AbortPolicy() { }  
  
        /** 
         * Always throws RejectedExecutionException. 
         * @param r the runnable task requested to be executed 
         * @param e the executor attempting to execute this task 
         * @throws RejectedExecutionException always. 
         */  
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
            throw new RejectedExecutionException(); //抛异常  
        }  
    }  

 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：表示拒绝任务但不做任何动作，源码如下：

[java]
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public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {  
        /** 
         * Creates a <tt>DiscardPolicy</tt>. 
         */  
        public DiscardPolicy() { }  
  
        /** 
         * Does nothing, which has the effect of discarding task r. 
         * @param r the runnable task requested to be executed 
         * @param e the executor attempting to execute this task 
         */  
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
        } // 直接拒绝，但不做任何操作  
    }  

 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：表示拒绝任务，并在调用者的线程中直接执行该任务，源码如下：

[java]
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public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {  
        /** 
         * Creates a <tt>CallerRunsPolicy</tt>. 
         */  
        public CallerRunsPolicy() { }  
  
        /** 
         * Executes task r in the caller's thread, unless the executor 
         * has been shut down, in which case the task is discarded. 
         * @param r the runnable task requested to be executed 
         * @param e the executor attempting to execute this task 
         */  
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
            if (!e.isShutdown()) {  
                r.run(); // 直接执行任务  
            }  
        }  
    }  

 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：表示先丢弃任务队列中的第一个任务，然后把这个任务加进队列。源码如下：

[java]
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public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {  
        /** 
         * Creates a <tt>DiscardOldestPolicy</tt> for the given executor. 
         */  
        public DiscardOldestPolicy() { }  
  
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
            if (!e.isShutdown()) {  
                e.getQueue().poll(); // 丢弃队列中的第一个任务  
                e.execute(r); // 执行新任务  
            }  
        }  
}  
  
当任务源源不断到来的时候，会从Queue中poll一个任务出来，然后执行新的任务