【深入理解Java线程池】

深入理解Java线程池

Java线程池是Java并发编程中的一个重要概念，它提供了一种管理和复用线程的机制，可以显著减少创建和销毁线程的开销，提高系统的响应速度和吞吐量。以下是对Java线程池的详细解析：

一、线程池的基本概念

线程池是一个由多个线程组成的集合，这些线程可以被动态地分配给不同的任务。线程池中的线程在执行完一个任务后，并不会被销毁，而是会回到线程池中等待执行下一个任务。这样可以避免频繁地创建和销毁线程，提高系统的性能。

二、线程池的核心参数

  1. corePoolSize（核心线程数）：线程池中始终保持的线程数量，即使这些线程处于空闲状态。
  2. maximumPoolSize（最大线程数）：线程池能够容纳的最大线程数。当工作队列满时，线程池会尝试创建新的线程，直到线程数量达到maximumPoolSize。
  3. keepAliveTime（线程空闲时间）：当线程数量超过corePoolSize时，这是多余空闲线程在终止前等待新任务的最长时间。
  4. unit（时间单位）：用于指定keepAliveTime的时间单位。
  5. workQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。
  6. threadFactory（线程工厂）：用于创建新线程的工厂。通过线程工厂可以给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。
  7. handler（拒绝策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，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。还可以选择CallerRunsPolicy（用调用者所在线程来运行任务）、DiscardPolicy（丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务）、DiscardOldestPolicy（丢弃最老的任务，尝试重新提交新的任务）等策略，或者根据应用场景实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。

三、线程池的工作流程

  1. 提交任务：任务通过execute(Runnable command)或submit(Callable<T> task)方法提交到线程池。
  2. 判断核心线程是否空闲：如果线程池中的核心线程数量少于corePoolSize，则创建新的核心线程来执行任务。
  3. 放入任务队列：如果核心线程都在忙，则任务会被放入workQueue中等待执行。
  4. 创建非核心线程：如果workQueue已满，且当前线程数量少于maximumPoolSize，则线程池会尝试创建新的非核心线程来执行任务。
  5. 拒绝任务：如果workQueue已满，且线程数量已达到maximumPoolSize，则线程池会根据拒绝策略拒绝新任务。
  6. 线程回收：当线程数量超过corePoolSize，且空闲线程的空闲时间超过keepAliveTime，则这些线程会被回收。

四、常见的线程池类型

  1. FixedThreadPool（固定大小线程池）：包含固定数量的线程，适用于需要限制并发线程数量的场景。
  2. CachedThreadPool（缓存线程池）：不固定线程数量，可以根据需要自动创建新线程，适用于执行大量短期异步任务。
  3. SingleThreadPool（单线程池）：只包含一个工作线程，保证所有任务按顺序执行，适用于需要保持任务顺序执行的场景。
  4. ScheduledThreadPool（定时线程池）：可以执行定时任务和周期性任务。
  5. WorkStealingPool（工作窃取线程池）：Java 8中引入的一种新类型的线程池，主要用于处理耗时任务，适用于需要大量并行任务、任务之间没有依赖关系的情况。

五、线程池的使用方法和注意事项

  1. 创建线程池：可以使用ThreadPoolExecutor类来创建线程池，并设置相应的参数。也可以使用Executors工厂类来方便地创建常见的线程池类型。
  2. 提交任务：通过execute()或submit()方法将任务提交到线程池。
  3. 关闭线程池：线程池应该通过shutdown()或shutdownNow()方法显式关闭。shutdown()方法会平滑地关闭线程池，不再接受新任务，但会继续执行队列中的任务。shutdownNow()方法会尝试立即关闭线程池，并尝试停止正在执行的任务。
  4. 注意事项：
    • 避免创建过多的线程，合理配置线程池的大小。
    • 任务执行时间不宜过长，以免影响线程池的响应速度。
    • 确保提交给线程池的任务是线程安全的。
    • 根据应用需求合理设置线程池的参数。

六、示例代码

使用ThreadPoolExecutor创建线程池并提交任务的示例代码：

import java.util.concurrent.*;public class ThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {// 创建线程池ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2,  // 核心线程数4,  // 最大线程数60L, TimeUnit.SECONDS,  // 线程空闲时间和时间单位new LinkedBlockingQueue<Runnable>());// 向线程池提交任务for (int i = 0; i < 10; i++) {final int task = i;executor.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行第 " + (task + 1) + " 个任务");}});}// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

使用Executors工厂类创建不同类型线程池

import java.util.concurrent.*;public class ExecutorsExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个固定大小的线程池ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);// 创建一个缓存线程池ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();// 创建一个单线程线程池ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();// 创建一个定时线程池ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);// 创建一个工作窃取线程池ExecutorService workStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();// 提交任务给不同类型的线程池for (int i = 0; i < 5; i++) {final int taskIndex = i;fixedThreadPool.submit(() -> printTaskInfo("Fixed", taskIndex));cachedThreadPool.submit(() -> printTaskInfo("Cached", taskIndex));singleThreadPool.submit(() -> printTaskInfo("Single", taskIndex));scheduledThreadPool.schedule(() -> printTaskInfo("Scheduled", taskIndex), 2, TimeUnit.SECONDS); // 延迟2秒执行}// 关闭所有线程池fixedThreadPool.shutdown();cachedThreadPool.shutdown();singleThreadPool.shutdown();scheduledThreadPool.shutdown();workStealingPool.shutdown();}private static void printTaskInfo(String poolType, int taskIndex) {System.out.println(poolType + " Thread Pool: " + Thread.currentThread().getName() + " is executing Task-" + taskIndex);}
}

使用自定义线程工厂和拒绝策略

import java.util.concurrent.*;public class CustomThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {// 定义自定义线程工厂ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactory() {private int count = 0;@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {return new Thread(r, "MyCustomThread-" + count++);}};// 定义自定义拒绝策略RejectedExecutionHandler customRejectedHandler = new RejectedExecutionHandler() {@Overridepublic void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {System.err.println("Task " + r.toString() + " rejected from " + executor.toString());}};// 创建带有自定义线程工厂和拒绝策略的线程池ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 60L, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(10),namedThreadFactory,customRejectedHandler);// 提交大量任务测试自定义拒绝策略for (int i = 0; i < 20; i++) {final int taskNumber = i;executor.execute(() -> printTaskInfo("Custom", taskNumber));}// 关闭线程池executor.shutdown();}private static void printTaskInfo(String poolType, int taskIndex) {System.out.println(poolType + " Thread Pool: " + Thread.currentThread().getName() + " is executing Task-" + taskIndex);}
}

使用submit()方法提交可返回结果的任务

import java.util.concurrent.*;public class CallableExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {// 创建线程池ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();// 提交Callable任务，该任务可以返回结果Future<Integer> future = executor.submit(new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {// 模拟耗时操作TimeUnit.SECONDS.sleep(2);return 123;}});// 获取任务的结果try {Integer result = future.get(); // 阻塞直到任务完成System.out.println("Task returned: " + result);} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭线程池executor.shutdown();}}
}

使用invokeAll()方法提交多个任务并获取结果

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;public class InvokeAllExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {// 创建线程池ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);// 创建多个Callable任务List<Callable<String>> tasks = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 5; i++) {final int taskId = i;tasks.add(() -> {// 模拟耗时操作TimeUnit.SECONDS.sleep(1);return "Result of Task-" + taskId;});}// 提交所有任务并等待所有任务完成List<Future<String>> futures = executor.invokeAll(tasks);// 获取所有任务的结果for (Future<String> future : futures) {System.out.println(future.get()); // 阻塞直到每个任务完成}// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

以上就是对Java线程池的详细解析，包括线程池的基本概念、核心参数、工作流程、常见类型、使用方法和注意事项等内容。通过深入理解线程池，我们可以更好地利用线程池来提高并发应用的性能和可靠性。

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