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《深入理解 Java 线程池:高效管理线程的利器》

时间:2024-09-18 23:50:12浏览次数:13  
标签:Java Executors 队列 创建 利器 任务 线程 执行

线程池

1. 什么是线程池?

​ 线程池内部维护了若干个线程,没有任务的时候,这些线程都处于等待空闲状态。如果有新的线程任务,就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态,线程池会创建一个新线程进行处理或者放入队列(工作队列)中等待。

2.线程池常用类和接口

​ 在Java标准库提供了如下几个类或接口,来操作并使用线程池:

1.ExecutorService接口:进行线程池的操作访问;

2.Executors类:创建线程池的工具类;

3.ThreadPoolExecutor及其子类:封装线程池的核心参数和运行机制;

线程池的基本使用方式:

// 线程池基本使用方式
// 创建一个ThreadPoolExecutor类型的对象,代表固定大小的线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 该线程池拥有3个线程
// 执行线程任务
executor.execute(task1);
executor.execute(task2);
executor.execute(task3);
executor.execute(task4);
executor.execute(task5);
// 使用结束后,使用shutdown关闭线程池
executor.shutdown();
3.线程池常见方法

●执行无返回值的线程任务:void execute(Runnable command);

●提交有返回值的线程任务:Future submit(Callable task);

●关闭线程池:void shutdown(); 或 shutdownNow();

●等待线程池关闭:boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit);

3.1 执行线程任务

​ execute()只能提交Runnable类型的任务,没有返回值,而submit()既能提交Runnable类型任务也能提交Callable类型任务,可以返

回Future类型结果,用于获取线程任务执行结果。

execute()方法提交的任务异常是直接抛出的,而submit()方法是捕获异常,当调用Future的get()方法获取返回值时,才会抛出异常。

// 计算1-100w的之间所有数字的累加和,每10w个数字交给1个线程处理
// 创建一个固定大小的线程池:
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 创建集合,用于保存Future执行结果
List<Future<Integer>> futureList = new ArrayList<Future<Integer>>();
// 每10w个数字,封装成一个Callable线程任务,并提交给线程池
for (int i = 0; i <= 900000; i += 100000) {
   Future<Integer> result = executorService.submit(new CalcTask(i+1, i + 100000));
  futureList.add(result);
}
// 处理线程任务执行结果
try {
   int result = 0;
   for (Future<Integer> f : futureList) {
       result += f.get();
   }
  System.out.println("最终计算结果" + result);
} catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
  e.printStackTrace();

}
// 关闭线程池
// 省略.....
运行结果:最终计算结果:1784293664
3.2关闭线程池

​ 线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候,它会等待正在执行的任务先完成,然后再关闭。

shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务;

​ 当使用awaitTermination()方法时,主线程会处于一种等待的状态,按照指定的timeout检查线程池。

​ 第一个参数指定的是时间,第二个参数指定的是时间单位(当前是秒)。返回值类型为boolean型。

​ 如果等待的时间超过指定的时间,但是线程池中的线程运行完毕,awaitTermination()返回true。

​ 如果等待的时间超过指定的时间,但是线程池中的线程未运行完毕,awaitTermination()返回false。

​ 如果等待时间没有超过指定时间,则继续等待。

该方法经常与shutdown()方法配合使用,用于检测线程池中的任务是否已经执行完毕:

// 线程池已提交或执行若干个任务
// 关闭线程池:必须等待任务执行结束后,线程池才会关闭
executorService.shutdown();
// 每隔1秒钟,检查一次线程池的任务执行状态
while(!executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS)) {
   System.out.println("还没有关闭!");
}
System.out.println("已关闭!");
4.线程池的执行流程重要

●1. 提交一个新线程任务,线程池会在线程池中分配一个空闲线程,用于执行线程任务;

●2. 如果线程池中不存在空闲线程,则线程池会判断当前“存活的线程数”是否小于核心线程数corePoolSize。

​ ○如果小于核心线程数corePoolSize,线程池会创建一个新线程(核心线程)去处理新线程任务;

​ ○如果大于核心线程数corePoolSize,线程池会检查工作队列;

​ ■如果工作队列未满,则将该线程任务放入工作队列进行等待。线程池中如果出现空闲线程,将从工作队列中按照FIFO的规则取出1个线程任务并分配执行;

​ ■如果工作队列已满,则判断线程数是否达到最大线程数maximumPoolSize;

​ ●如果当前“存活线程数”没有达到最大线程数maximumPoolSize,则创建一个新线程(非核心线程)执行新线程任务;

​ ●如果当前“存活线程数”已经达到最大线程数maximumPoolSize,直接采用拒绝策略处理新线程任务;

综上所述,执行顺序为:核心线程、工作队列、非核心线程、拒绝策略。

image.png

5.线程池的配置参数重要

●corePoolSize线程池核心线程数:也可以理解为线程池维护的最小线程数量,核心线程创建后不会被回收。大于核心线程数的线程,在空闲时间超过keepAliveTime后会被回收;

​ ○在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,当调用 execute() 方法添加一个任务时,如果正在运行的线程数量小于corePoolSize,则马上创建新线程并运行这个任务。

​ ○IO密集计算:由于 I/O 设备的速度相对于 CPU来说都很慢,所以大部分情况下,I/O 操作执行的时间相对于 CPU 计算来说都非常长,这种场景我们一般都称为 I/O 密集型计算。最佳线程数 =CPU 核数 * [ 1 +(I/O 耗时 / CPU 耗时)]。

​ ○CPU密集型:CPU 密集型计算大部分场景下都是纯 CPU 计算,多线程主要目的是提升CPU利用率,最佳线程数 =“CPU 核心数 +1”。这样的话,当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时,这个额外的线程可以临时替补,从而保证 CPU 的利用率。

●maximumPoolSize线程池最大线程数:线程池允许创建的最大线程数量;(包含核心线程池数量)

●keepAliveTime非核心线程线程存活时间:当一个可被回收的线程的空闲时间大于keepAliveTime,就会被回收。

​ ○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,则会被回收,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。

​ ○如果设置allowCoreThreadTimeOut = true,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;

●TimeUnit时间单位:参数keepAliveTime的时间单位;

●BlockingQueue阻塞工作队列:用来存储等待执行的任务;

●ThreadFactory线程工厂 : 用于创建线程,以及自定义线程名称,需要实现ThreadFactory接口;

●RejectedExecutionHandler拒绝策略:当线程池线程内的线程耗尽,并且工作队列达到已满时,新提交的任务,将使用拒绝策略进行处理;

​ ○ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:默认策略,丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常;

​ ○ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:丢弃任务,但是不抛出异常;

​ ○ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃工作队列中的队头任务(即最旧的任务,也就是最早进入队列的任务)后,继续将当前任务提交给线程池;

​ ○ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由原调用线程处理该任务 (谁调用,谁处理);

6.线程池分类

​ Java标准库提供的几种常用线程池,创建这些线程池的方法都被封装到Executors工具类中。

●FixedThreadPool:线程数固定的线程池,使用Executors.newFixedThreadPool()创建;

●CachedThreadPool:线程数根据任务动态调整的线程池,使用Executors.newCachedThreadPool()创建;

●SingleThreadExecutor:仅提供一个单线程的线程池,使用Executors.newSingleThreadExecutor()创建;

●ScheduledThreadPool:能实现定时、周期性任务的线程池,使用Executors.newScheduledThreadPool()创建;

6.1 FixedThreadPool线程池

线程数固定的线程池

以FixedThreadPool线程池为例,线程池的执行步骤如下:

public class Main {
public static void main(String[] args) {
       // 创建一个固定大小的线程池:
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
      for (int i = 0; i < 6; i++) {
       	executorService.execute(new Task("线程"+i));
      }
      // 关闭线程池:
       executorService.shutdown();
  }
}
class Task implements Runnable {
	private String taskName;
	public Task(String taskName) {
	this.taskName = taskName;
	}
   @Override
   public void run() {
        System.out.println("启动线程 ===> " + this.taskName);
      try {
           Thread.sleep(1000);
       } catch (InterruptedException e) {
     }
        System.out.println("结束线程 <= " + this.taskName);
   }
}

执行分析:

●观察执行结果,一次性放入6个任务,由于线程池只有固定的4个线程,因此,前4个任务会同时执行,等到有线程空闲后,才会执行后面的两个任务。

6.2 CachedThreadPool线程池

线程数根据任务动态调整的线程池

●把线程池改为CachedThreadPool,观察运行结果:

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

执行分析:

●观察执行结果,由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小,所以6个任务可一次性全部同时执行。

6.3 ScheduledThreadPool线程池

能实现定时、周期性任务的线程池

●例如:每秒刷新证券价格。这种任务本身固定,需要反复执行的,可以使用ScheduledThreadPool;

●放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行;

创建ScheduledThreadPool定时任务线程池

ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(3);

延迟3秒钟后执行,任务只执行1次

executorService.schedule(new Task("线程A"), 3, TimeUnit.SECONDS);

延迟2秒钟后,每隔3秒钟执行任务1次

// 方式1
executorService.scheduleAtFixedRate(new Task("线程A"), 2,3, TimeUnit.SECONDS);
// 方式2
executorService.scheduleWithFixedDelay(new Task("线程A"), 2,3, TimeUnit.SECONDS);

FixedRate和FixedDelay的区别:

●FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发,不管任务执行多长时间;

●FixedDelay是指,上一次任务执行完毕后,等待固定的时间间隔,再执行下一次任务;

7.线程池的状态

线程池的状态分为:RUNNING, SHUTDOWN, STOP, TIDYING, TERMINATED

○ RUNNING:运行状态,线程池被一旦被创建,就处于RUNNING状态,并且线程池中的任务数为0。该状态的线程池会接收新任务,并处理工作队列中的任务。

■调用线程池的shutdown()方法,可以切换到SHUTDOWN关闭状态;

■调用线程池的shutdownNow()方法,可以切换到STOP停止状态;

○SHUTDOWN:关闭状态,该状态的线程池不会接收新任务,但会处理工作队列中的任务;

■当工作队列为空时,并且线程池中执行的任务也为空时,线程池进入TIDYING状态;

○STOP:停止状态,该状态的线程不会接收新任务,也不会处理阻塞队列中的任务,而且会中断正在运行 的任务;

■线程池中执行的任务为空,进入TIDYING状态;

○TIDYING:整理状态,该状态表明所有的任务已经运行终止,记录的任务数量为0;

■terminated()执行完毕,进入TERMINATED状态;

○TERMINATED: 终止状态,该状态表示线程池彻底关闭。

线程池状态.webp

8.线程池分类总结重要
8.1 FixedThreadPool

线程数固定的线程池

线程池参数:

○核心线程数和最大线程数一致

○非核心线程线程空闲存活时间,即keepAliveTime为0

○阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

●工作机制:

a提交线程任务

b如果线程数少于核心线程,创建核心线程执行任务

c如果线程数等于核心线程,把任务添加到LinkedBlockingQueue阻塞队列

d如果线程执行完任务,去阻塞队列取任务,继续执行

●使用场景: 适用于处理CPU密集型的任务,确保CPU在长期被工作线程使用的情况下,尽可能的少的分配线程,即适用执行长期的任务。

8.2 CachedThreadPool

可缓存线程池,线程数根据任务动态调整的线程池

线程池参数:

○核心线程数为0

○最大线程数为Integer.MAX_VALUE

○工作队列是SynchronousQueue同步队列

○非核心线程空闲存活时间为60秒

●工作机制:

a提交线程任务

b因为核心线程数为0,所以任务直接加到SynchronousQueue工作队列

c判断是否有空闲线程,如果有,就去取出任务执行

d如果没有空闲线程,就新建一个线程执行

e执行完任务的线程,还可以存活60秒,如果在这期间,接到任务,可以继续存活下去;否则,被销毁。

●使用场景: 用于并发执行大量短期的小任务。

8.3 SingleThreadExecutor

单线程化的线程池

●线程池参数:

○核心线程数为1

○最大线程数也为1

○阻塞队列是LinkedBlockingQueue

○非核心线程空闲存活时间为0秒

●使用场景: 适用于串行执行任务的场景,将任务按顺序执行。

8.4 ScheduledThreadPool

能实现定时、周期性任务的线程池

线程池参数:

○最大线程数为Integer.MAX_VALUE

○阻塞队列是DelayedWorkQueue

○keepAliveTime为0

●使用场景: 周期性执行任务,并且需要限制线程数量的需求场景。

9. 线程池使用注意事项

​ 在《阿里巴巴java开发手册》中指出了线程资源必须通过线程池提供,不允许在应用中自行显示的创建线程,这样一方面是线程的创

建更加规范,可以合理控制开辟线程的数量;另一方面线程的细节管理交给线程池处理,优化了资源的开销。而线程池不允许使用

Executors去创建,而要通过ThreadPoolExecutor方式。jdk中Executor框架虽然提供了如newFixedThreadPool()、

newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool()等创建线程池的方法,但都有其局限性,不够灵活;另外由于前面几种方法内部

也是通过new ThreadPoolExecutor方式实现,使用ThreadPoolExecutor有助于大家明确线程池的运行规则,创建符合自己的业务场景需

要的线程池,避免资源耗尽的风险。

里巴巴java开发手册》中指出了线程资源必须通过线程池提供,不允许在应用中自行显示的创建线程,这样一方面是线程的创

建更加规范,可以合理控制开辟线程的数量;另一方面线程的细节管理交给线程池处理,优化了资源的开销。而线程池不允许使用

Executors去创建,而要通过ThreadPoolExecutor方式。jdk中Executor框架虽然提供了如newFixedThreadPool()、

newSingleThreadExecutor()、newCachedThreadPool()等创建线程池的方法,但都有其局限性,不够灵活;另外由于前面几种方法内部

也是通过new ThreadPoolExecutor方式实现,使用ThreadPoolExecutor有助于大家明确线程池的运行规则,创建符合自己的业务场景需

要的线程池,避免资源耗尽的风险。

​ 必须为线程池中的线程,按照业务规则,进行命名。可以在创建线程池时,使用自定义线程工厂规范线程命名方式,避免线程使用默认名称。

标签:Java,Executors,队列,创建,利器,任务,线程,执行
From: https://blog.csdn.net/qq_67028830/article/details/142346731

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