Java多线程——线程池总结

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带着问题学习

线程池是什么？

线程池有几种？

为什么要用线程池？

线程池的组成是什么样的？

不同线程池之间有什么差别？

线程池简介

线程池的好处

提高资源利用率：通过重复使用已创建的线程，减少了线程创建和销毁的开销。

提高响应速度：当任务到达时，任务可以不需要等待线程创建就立即执行，因为线程池中已有线程准备好接收任务。

统一的资源管理和调度：线程池允许系统通过统一的方式来管理线程，避免了对线程的无限制创建。

提供更多的管理策略：线程池提供了如设置最大并发数、选择合适的队列策略、设置线程存活时间等多种管理策略。

线程池相关参数

描述

参数名

参数类型

核心线程池大小，即线程池中始终保持的线程数量。

corePoolSize

int

最大线程池大小，即线程池中允许创建的最大线程数量。

maximumPoolSize

int

线程空闲时间，当线程池中线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程在被终止之前等待新任务的最长时间。

keepAliveTime

long

时间单位，用于设置keepAliveTime的时间单位。

TimeUnit

TimeUnit枚举类型

任务队列，用于存储等待执行的任务。

workQueue

BlockingQueue<Runnable>类型

线程工厂，用于创建新线程。

threadFactory

ThreadFactory接口类型

任务拒绝处理器，当任务无法被线程池执行时的处理方式，例如抛出异常或者丢弃任务。

handler

RejectedExecutionHandler接口类型

线程池的工作流程

线程池接口及定义

Executor 接口

Executor是最基本的线程池接口，Executor接口非常简单，只有一个execute(Runnable command)方法，用于提交执行任务。

ExecutorService 接口

ExecutorService 是 Executor 接口的一个子接口，定义了线程池的基本方法，所有的线程池都应该实现这个接口

任务提交

submit(Callable<T> task)

submit(Runnable task)

submit(Runnable task, T result)

执行多个任务

invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks): 执行给定的任务集合，当所有任务完成时，返回保持任务状态和结果的 Future 列表。

invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks): 执行给定的任务集合，如果最早完成的任务正常终止，则返回其结果。

管理线程池的生命周期

shutdown(): 启动一个有序的关闭过程，不再接受新任务，同时等待已提交的任务执行完成。

shutdownNow(): 尝试停止所有任务，停止处理正在等待的任务，并返回等待执行的任务列表。（正在执行的任务，没有主动停止的情况下，不会被停止）

isShutdown(): 检查线程池是否已经关闭。

isTerminated(): 检查关闭后是否所有任务都已完成。

ThreadPoolExecutor类

ThreadPoolExecutor是ExecutorService接口的一个具体实现。

通过传入不同的参数给ThreadPoolExecutor构造函数，可以详细地自定义线程池的行为。

构造函数的参数包括：

corePoolSize：核心线程数，即使空闲，线程池中也会保留在池中的线程数。
maximumPoolSize：线程池中允许的最大线程数。
keepAliveTime：当线程数大于核心线程数时，这是超过该时间的多余空闲线程在终止前等待新任务的最长时间。
unit：keepAliveTime 参数的时间单位。
workQueue：用于在执行任务之前保存任务的队列。这可以是一个有界队列也可以是无界队列，依赖于具体的需求。
threadFactory：用于创建新线程的工厂。
handler：当线程池已满且无法接受新任务时的拒绝策略。

Executors

Executors是一个工厂类，提供了多种静态方法来创建不同类型的线程池。

相关的创建方法有：

newFixedThreadPool(int nThreads)
newCachedThreadPool()
newSingleThreadExecutor()
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
newSingleThreadScheduledExecutor()
newWorkStealingPool()
unconfigurableExecutorService(ExecutorService executor)
unconfigurableScheduledExecutorService(ScheduledExecutorService executor)

线程池分类

线程池类型	核心参数	队列类型	线程数量变化	使用场景	特点
`FixedThreadPool`	固定线程数量	`LinkedBlockingQueue`	固定线程数	适用于处理任务数量和资源消耗相对稳定的场景	避免频繁创建/销毁线程，提高资源利用率
`CachedThreadPool`	线程数不固定，空闲线程60秒后终止	`SynchronousQueue`	根据任务增减	适合执行大量短期异步任务	线程数灵活，空闲时释放资源
`SingleThreadExecutor`	单线程执行任务	`LinkedBlockingQueue`	单一线程，不变	需要保证任务顺序执行，如串行化操作	避免多线程同时执行的数据不一致性问题
`ScheduledThreadPool`	固定线程数量，支持延迟/周期性任务	`DelayedWorkQueue`	核心线程数固定，非核心线程数可灵活调整（默认无非核心线程）	适用于需要多个后台线程执行周期性任务，保持执行频率或具有延迟的任务	定时或周期性执行任务

ThreadPoolExecutor重要参数

任务队列

队列类型	特点	使用场景	注意事项
`SynchronousQueue`	不存储元素，因此提交到线程池的任务必须立即执行，否则会在新线程中执行或被拒绝。	适用于任务传递，确保任务被立即执行	高线程创建率，可能导致性能问题
`LinkedBlockingQueue`	阻塞队列，基于链表，通常配置为无界，也可设定界限	适合任务执行速度慢或提交频率高的场景	无界队列可能导致内存耗尽
`ArrayBlockingQueue`	基于数组的有界阻塞队列	需要限制排队任务数量以避免资源过度使用的场景	需合理设定容量，以平衡内存使用和系统响应能力
`PriorityBlockingQueue`	支持优先级排序的无界阻塞队列	需要根据任务紧急程度或重要性动态处理任务的场景	任务必须实现`Comparable`接口，定义优先级比较规则，无界设置可能导致资源耗尽
`DelayedWorkQueue`	用于存放实现了`Delayed`接口的元素，只有在延迟期满时才能取走	执行延时或定时任务	管理延时任务时要确保时间的准确性和效率

拒绝策略

拒绝策略	特点	使用场景	注意事项	默认使用此策略的线程池
AbortPolicy	抛出`RejectedExecutionException`异常	任务不能延迟执行且必须处理拒绝情况时使用	需要适当处理异常，避免程序崩溃	`CachedThreadPool`, `ScheduledThreadPool`
CallerRunsPolicy	调用者线程自己执行任务	调用者可以承受任务执行的延迟	可能导致调用者线程性能下降	无默认使用
DiscardPolicy	静默丢弃任务	可以容忍丢失任务的场景	任务可能不被执行，无异常抛出	无默认使用
DiscardOldestPolicy	丢弃队列中最老的任务，尝试提交当前任务	优先处理新任务，旧任务不是关键性的情况	可能导致重要任务丢失，需评估业务对任务的重要性	无默认使用

线程池的状态管理

ThreadPoolExecutor类使用一个int类型的变量来维护线程池的状态和工作线程的数量，这一变量被设计为包含两部分信息：高位表示线程池的状态，低位表示有效线程的数量。

线程池状态

RUNNING: 线程池可以接受新任务，也可以处理阻塞队列中的任务。

SHUTDOWN: 线程池不接受新任务，但可以处理已添加的任务。

STOP: 线程池不接受新任务，不处理队列中的任务，还会尝试中断正在处理的任务。

TIDYING: 所有任务都已终止，workerCount（有效线程数）为零，线程池的状态将转变为TIDYING。当线程池变为TIDYING状态时，将会执行terminated()方法。

TERMINATED: terminated()方法已完成。

状态转换

execute() 方法在提交新任务时检查线程池状态，只有当状态为RUNNING时才会接受新任务。

shutdown() 方法使线程池状态变为SHUTDOWN。调用此方法后，线程池将不再接受新任务，但会继续处理已在队列中的任务。

shutdownNow() 方法尝试立即停止所有正在执行的任务，并将状态设为STOP，并尝试中断所有正在执行的线程。

状态从TIDYING转换到TERMINATED发生在terminated()方法执行完毕之后。

关闭线程池的方法

关闭方法	特点	适用场景	注意事项
shutdown()	停止接受新任务，已提交的任务继续执行。	希望所有已提交的任务完成时使用。	- 不会立即终止执行中的任务。 - 通常用于应用程序正常结束时。
shutdownNow()	尝试停止所有正在执行的任务，返回未开始执行的任务列表。	需要立即停止所有任务，包括正在执行的任务。	- 可能无法立即停止所有任务。 - 返回列表中的任务未执行。
awaitTermination()	阻塞当前线程，直到线程池完全终止或超时，或线程被中断。	在调用`shutdown()`或`shutdownNow()`后，等待线程池完全关闭。	- 需要处理`InterruptedException`。 - 确保在超时后检查线程池是否已完全终止。

注意事项

在关闭线程池后提交任务会导致RejectedExecutionException。

shutdownNow()可能无法立即停止所有正在执行的任务，因为某些任务可能不响应中断。

在调用awaitTermination()后，应处理InterruptedException，以确保当前线程在等待过程中被中断后可以正确响应。

确保在应用程序关闭或重新启动前，线程池被正确关闭，以避免资源泄露。