《知识点扫盲 · 线程池基础篇》

📢 大家好，我是【战神刘玉栋】，有10多年的研发经验，致力于前后端技术栈的知识沉淀和传播。 💗
🌻 CSDN入驻不久，希望大家多多支持，后续会继续提升文章质量，绝不滥竽充数，欢迎多多交流。👍

文章目录

- 线程池运用背景
- 线程池技术简介
- 线程池核心参数
- Executors 四种线程池
- 线程池知识补充

线程池运用背景

|- 为什么用？
创建一个新的线程可以通过继承Thread类或者实现Runnable接口来实现，这两种方式创建的线程在运行结束后会被虚拟机销毁，进行垃圾回收，如果线程数量过多，频繁的创建和销毁线程会浪费资源，降低效率。而线程池的引入就很好解决了上述问题，线程池可以更好的创建、维护、管理线程的生命周期，做到复用，提高资源的使用效率，也避免了开发人员滥用new关键字创建线程的不规范行为。

说明：阿里开发手册中明确指出，在实际生产中，线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中显式的创建线程。如果不使用线程池，有可能造成系统创建大量同类线程而导致消耗完内存或者“过度切换”的问题。

|- 传统的线程使用
需要使用线程的时候就去创建一个线程，这样实现起来非常简便，但是就会有一个问题：
如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间（即线程创建和销毁的时间都超过了任务本身的执行时间，那还不如直接同步执行任务）。若线程数超过一定数量，还可能导致有的线程无法得到执行，甚至程序挂掉。
那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？
Tips：和上面一个

|- 线程池的作用
线程池就是用来管理线程的工具。
Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。
在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处：
第一：降低资源消耗，通过重复利用已创建的线程，降低在创建和销毁线程上所花的时间以及系统资源的开销；
第二：提高响应速度，当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行；
第三：提高线程的可管理性，线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控（默认情况下，一个线程的栈要预留1M的内存空间）。

总结：一句话就是线程池可以更合理的利用线程，控制线程数量，提升系统稳定新。

|- 什么场合要使用线程池
1、单个任务处理的时间比较短；
2、将需处理的任务的数量大；
说明：即常说的高并发低耗时的情况，像长时间开着的某个任务就不适合线程池。
通俗来说，线程池，就是在调用线程的时候初使化一定数量的线程，有线程过来的时候，先检测初使化的线程还有空的没有，没有就再看当前运行中的线程数是不是已经达到了最大数，如果没有，就新分配一个线程去处理，就像餐馆中吃饭一样，从里面叫一个服务员出来；但如果已经达到了最大数，就相当于服务员已经用于了，那没得办法，另外的线程就只有等了，直到有新的“服务员”为止。线程池的优点就是可以管理线程，有一个高度中枢，这样程序才不会乱，保证系统不会因为大量的并发而因为资源不足挂掉。

线程池技术简介

|- JDK1.5与线程池
线程的使用在Java中占有极其重要的地位，在JDK1.4极其之前的jdk版本中，关于线程池的使用是极其简陋的。在JDK1.5之后这一情况有了很大的改观。JDK1.5之后加入了java.util.concurrent包，这个包中主要介绍java中线程以及线程池的使用。为我们在开发中处理线程的问题提供了非常大的帮助。

|- 线程池涉及的类

1、Executor 是一个顶层接口，在它里面只声明了一个方法 execute(Runnable)，返回值为void，参数为Runnable类型，代表用来执行传进去的任务，严格意义上讲，Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具；

package java.util.concurrent;public interface Executor {void execute(Runnable var1);
}

2、ExecutorService 继承并扩展了Executor接口，提供了 submit、shutdown等方法扩展；
3、AbstractExecutorService 抽象类实现了 ExecutorService 接口，基本实现了 ExecutorService 中声明的所有方法；
4、ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现类，继承了类 AbstractExecutorService，在 ThreadPoolExecutor 类中有几个非常重要的方法，比如 execute，实际上是Executor中声明的方法，在 ThreadPoolExecutor 进行了具体的实现，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行；
5、ScheduledExecutorService继承ExecutorService接口，并定义延迟或定期执行的方法；
6、ScheduledThreadPoolExecutor继承ThreadPoolExecutor并实现了ScheduledExecutorService接口，是延时执行类任务的主要实现；

Tips：ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现类，最常用。

|- 线程池运行原理

线程池核心参数

背景说明
在JDK帮助文档中，有如此一段话：

“强烈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）它们均为大多数使用场景预定义了设置。”

但是，在观看阿里巴巴开发规约的时候，建议程序员使用精确的属性去构造，如下：

（强制）线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

Executors 创建线程池方法的弊端：
1）newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor: 主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存，甚至OOM。
2）newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool: 主要问题是线程数最大数是Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至OOM。

说明：Executors的newFixedThreadPool等方法，实际上也是一些默认参数的ThreadPoolExecutor构造，之所以要直接使用ThreadPoolExecutor还是想让使用者更了解这些参数，选择更合适的方式。

ThreadPoolExecutor 构造方法
Executors 接口提供的四种创建线程池的方法，底层都是调用ThreadPoolExecutor的构造方法。
ThreadPoolExecutor 类中提供了四个构造方法，通过观察每个构造器的源码具体实现，发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。
第四个构造方法的属性也是最全的，方法体代码如下：

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

corePoolSize（基本线程数）
核心池的大小，这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。
默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
线程池中最核心的线程池数据量，当提交一个任务到线程池时，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线程池基本大小时就不再创建。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（最大线程数）
线程池最大线程数，这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
线程池中最大的线程数量，如果线程池中的线程数据小于最大数，并且提交新的任务，此时会创建新的线程来执行，直到达到最大线程数，再提交新的任务，此时会执行到对应的队列里面，后面的参数会讲到，队列满了在执行相应的策略，后面的参数会讲到。

keepAliveTime（超过基本线程数的空闲线程多久关闭）
1、表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。
默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；
2、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。所以如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
3、当线程数大于核心时，此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间。说的让人感觉比较模糊，总结一下大概意思为：比如说线程池中最大的线程数为50，而其中只有40个线程任务在跑，相当于有10个空闲线程，这10个空闲线程不能让他一直在开着，因为线程的存在也会特别好资源的，所有就需要设置一个这个空闲线程的存活时间，这么解释应该就很清楚了。

unit（上面那个属性的单位）
参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：TimeUnit.DAYS 等；
线程活动保持时间的单位，该时间是针对keepAliveTime的时间单位，可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（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：
一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，这个参数的选择也很重要，会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：ArrayBlockingQueue;LinkedBlockingQueue;SynchronousQueue;
ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。
任务队列，用于保存等待执行的任务的阻塞队列。后面再详细的讲解各个队列的特点。

threadFactory（执行程序创建新线程时使用的工厂）：
线程工厂，主要用来创建线程，用于新提交的任务，并且线程池中没有空闲的线程，并且线程池的大小没有达到最大线程池数据量时需要创建的线程，由该线程工程类创建线程。

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）
表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务
执行策略，执行策略是在一定的前提下执行的，当线程池的线程数量已经达到最大值，并且队列已经达到最大值时，对新提交的线程任务进行的反应策略，后面在详细的讲解执行策略的问题。

Executors 四种线程池

|- 前言
要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在Executors类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。|- newSingleThreadExecutor
创建一个单线程的线程池。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（先进先出）。
底层实现：new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())
底层分析：核心线程数和最大线程数都是1，空闲线程保持时间为0（意思就是不缓存），队列采用LinkedBlockingQueue。|- newFixedThreadPool
创建固定大小的线程池。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。
创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
底层实现：new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
底层分析：核心线程数和最大线程数一样，空闲线程保持时间为0（意思就是不缓存），队列采用LinkedBlockingQueue。
说明：定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置，如 Runtime.getRuntime().availableProcessors()，几核就代表需要几个线程；|- newCachedThreadPool
创建一个可缓存的线程池。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。
底层实现：new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
底层分析：可以看到核心线程数为0，最大线程数无限大，回收空闲线程时间60秒，缓存队列使用SynchronousQueue（只允许放一个即被阻塞），这种线程池有任务来就会一直创建新的线程，对性能损耗较大，但是处理效率最高。
说明：线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。
说明：不太适合非常频繁的场景，等下服务器挂了。|- newScheduledThreadPool
创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求（schedule方法，延迟N秒执行）。
底层实现：super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue());

线程池知识补充

|- 阻塞队列和非阻塞队列阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列。ConcurrentLinkedDeque 是典型的无界非阻塞队列，是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue。是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素（简单了解即可）。BlockingQueue 是典型的阻塞队列，在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。在线程池中，底层使用阻塞队列BlockingQueue实现。|- 常见阻塞队列（缓存队列）
SynchronousQueue：队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。
LinkedBlockingQueue：阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据。
补充：Integer.MAX_VALUE最大值，值为 2的31次方－1 的常量，它表示 int 类型能够表示的最大值 214748364，基本无限大。|- 任务和线程的区别
线程可以理解为用来执行任务的程序，任务就是你要做的事情，大多时候不用去区分。
并发队列里面存放的是线程而不是任务，可以看到线程池的execute方法的作用就是提交线程任务。
其参数就是一个Runnable接口，也就是线程，意思就是提交一个线程任务，任务内容就是run方法里面的。