多线程篇（线程池 - 整体介绍）（持续更新迭代）

ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

3）maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。

如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。

值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。

4）ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。

使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下。

5）RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么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。

在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。

AbortPolicy：直接抛出异常。
CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。当然，也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

6）keepAliveTime（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，可以调大时间，提高线程的利用率。

7）TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：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）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

2. 向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。

通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并

且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get(long timeout，TimeUnit unit)方法

则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

3. 关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的

interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态

设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成

SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时

调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown

方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

4. 合理地配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析。

任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
任务的优先级：高、中和低。
任务的执行时间：长、中和短。
任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。由于IO

密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密

集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这

两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个

数。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。

注意如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该

设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点儿，比如几千。有一次，我们系统里后台任务

线程池的队列和线程池全满了，不断抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任

务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞，任务积压在线程池里。如果当时我们

设置成无界队列，那么线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然，我

们的系统所有的任务是用单独的服务器部署的，我们使用不同规模的线程池完成不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他

任务。

5. 线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控，方便在出现问题时，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。可以通过

线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性。

taskCount：线程池需要执行的任务数量。
completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
getActiveCount：获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的 beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可

以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。

这几个方法在线程池里是空方法。

1.3 本章小结

在工作中我经常发现，很多人因为不了解线程池的实现原理，把线程池配置错误，从而导致了各种问题。本章介绍了为什么要使用线程

池、如何使用线程池和线程池的使用原理，相信阅读完本章之后，读者能更准确、更有效地使用线程池。

2. Executor框架

在Java中，使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销，如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行，这些线

程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时，为每一个任务创建一个新线程来执行，这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩

溃。

Java的线程既是工作单元，也是执行机制。从JDK 5开始，把工作单元与执行机制分离开来。工作单元包括Runnable和Callable，而执

行机制由Executor框架提供。

2.1 Executor框架简介

1. Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作

系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。

在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线

程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图如图10-1所示。

从图中可以看出，应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

2. Executor框架的结构与成员

本文将分两部分来介绍Executor：Executor的结构和Executor框架包含的成员组件。

2.1 Executor框架的结构

Executor框架主要由3大部分组成如下。

任务包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口。
任务的执行包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）。
异步计算的结果包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

Executor框架包含的主要的类与接口如图10-2所示。

下面是这些类和接口的简介。

Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。
ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。
ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更灵活，功能更强大。
Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

Executor框架的使用示意图如图10-3所示。

主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象

（Executors.callable(Runnable task)或Executors.callable(Runnable task，Object resule)）。

然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行（ExecutorService.execute(Runnable command)）；或者也可以把

Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行（ExecutorService.submit(Runnable task)或 ExecutorService.submit

(Callabletask)）。

如果执行ExecutorService.submit(…)，ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象（到目前为止的JDK中，返回的是

FutureTask对象）。由于FutureTask实现了Runnable，程序员也可以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。

最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel(boolean

mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。

2.2 Executor框架的成员

本节将介绍Executor框架的主要成员：ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、Future接口、Runnable接口、Callable

接口和Executors。

1. ThreadPoolExecutor

（1）ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。

Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。

下面分别介绍这3种ThreadPoolExecutor。

1. FixedThreadPool

下面是Executors提供的，创建使用固定线程数的FixedThreadPool的API。

FixedThreadPool适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。

2. SingleThreadExecutor

下面是Executors提供的，创建使用单个线程的SingleThreadExecutor的API。

SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务；并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景。

3. CachedThreadPool

下面是Executors提供的，创建一个会根据需要创建新线程的CachedThreadPool的API。

CachedThreadPool是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。

2. ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。

Executors可以创建2种类型的ScheduledThreadPoolExecutor，如下：

1. ScheduledThreadPoolExecutor

包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。

2. SingleThreadScheduledExecutor

只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。

下面分别介绍这两种ScheduledThreadPoolExecutor。

下面是工厂类Executors提供的，创建固定个数线程的ScheduledThreadPoolExecutor的API。

ScheduledThreadPoolExecutor适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的

应用场景。下面是Executors提供的，创建单个线程的SingleThreadScheduledExecutor的API。

SingleThreadScheduledExecutor适用于需要单个后台线程执行周期任务，同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。

3. Future

Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable接口或Callable接口的实现类提交

（submit）给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向

我们返回一个FutureTask对象。下面是对应的API。

有一点需要读者注意，到目前最新的JDK 8为止，Java通过上述API返回的是一个FutureTask对象。但从API可以看到，Java仅仅保证返回

的是一个实现了Future接口的对象。在将来的JDK实现中，返回的可能不一定是FutureTask。

4. Runnable & Callable

Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是

Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结果。

除了可以自己创建实现Callable接口的对象外，还可以使用工厂类Executors来把一个Runnable包装成一个Callable。

下面是Executors提供的，把一个Runnable包装成一个Callable的API。

下面是Executors提供的，把一个Runnable和一个待返回的结果包装成一个Callable的API。

前面讲过，当我们把一个Callable对象（比如上面的Callable1或Callable2）提交给 ThreadPoolExecutor或

ScheduledThreadPoolExecutor执行时，submit（…）会向我们返回一个 FutureTask对象。我们可以执行FutureTask.get()方法来等待

任务执行完成。当任务成功完成后 FutureTask.get()将返回该任务的结果。例如，如果提交的是对象Callable1，FutureTask.get()方法将

返回null；如果提交的是对象Callable2，FutureTask.get()方法将返回result对象。

2.2 ThreadPoolExecutor详解

Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor，它是线程池的实现类，主要由下列4个组件构成。

corePool：核心线程池的大小。
maximumPool：最大线程池的大小。
BlockingQueue：用来暂时保存任务的工作队列。
RejectedExecutionHandler：当ThreadPoolExecutor已经关闭或ThreadPoolExecutor已经饱和时（达到了最大线程池大小且工作队列已满），execute()方法将要调用的Handler。

通过Executor框架的工具类Executors，可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor。

FixedThreadPool。
SingleThreadExecutor。
CachedThreadPool。

下面将分别介绍这3种ThreadPoolExecutor。

1. FixedThreadPool详解

FixedThreadPool被称为可重用固定线程数的线程池。下面是FixedThreadPool的源代码实现。

FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。

当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime为多余的空闲线程等待新任务的最长时间，超过这个时间后多余的线程将

被终止。这里把keepAliveTime设置为0L，意味着多余的空闲线程会被立即终止。

FixedThreadPool的execute()方法的运行示意图如图10-4所示。

对图10-4的说明如下。

如果当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务。
在线程池完成预热之后（当前运行的线程数等于corePoolSize），将任务加入 LinkedBlockingQueue。
线程执行完1中的任务后，会在循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。

FixedThreadPool使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。

使用无界队列作为工作队列会对线程池带来如下影响。

当线程池中的线程数达到corePoolSize后，新任务将在无界队列中等待，因此线程池中的线程数不会超过corePoolSize。
由于1，使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数。
由于1和2，使用无界队列时keepAliveTime将是一个无效参数。
由于使用无界队列，运行中的FixedThreadPool（未执行方法shutdown()或shutdownNow()）不会拒绝任务（不会调用 RejectedExecutionHandler.rejectedExecution 方法）。

2. SingleThreadExecutor详解

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor，下面是SingleThreadExecutor的源代码实现。

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor

使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。

SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同，这里就不赘述了。

SingleThreadExecutor的运行示意图如图10-5所示。

对图10-5的说明如下。

如果当前运行的线程数少于corePoolSize（即线程池中无运行的线程），则创建一个新线程来执行任务。
在线程池完成预热之后（当前线程池中有一个运行的线程），将任务加入LinkedBlockingQueue。
线程执行完1中的任务后，会在一个无限循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。

3. CachedThreadPool详解

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池，下面是创建CachedThreadPool的源代码。

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0，即corePool为空；maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE，即

maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L，意味着CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，

空闲线程超过60秒后将会被终止。

FixedThreadPool和SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列。CachedThreadPool使用

没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列，但CachedThreadPool的maximumPool是无界的。这意味着，如果主线程提交

任务的速度高于maximumPool中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下，CachedThreadPool会

因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

CachedThreadPool的execute()方法的执行示意图如图10-6所示。

对图10-6的说明如下。

1. 首先执行SynchronousQueue.offer（Runnable task）

如果当前maximumPool中有空闲线程正在执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS），

那么主线程执行offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，

execute()方法执行完成；否则执行下面的步骤2）。

2. 当初始maximumPool为空，或者maximumPool中当前没有空闲线程时，将没有线程执行SynchronousQueue.poll

(keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS)这种情况下，步骤 1 将失败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务，

execute()方法执行完成。

3. 在步骤 2 中新创建的线程将任务执行完后，会执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）

这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务（主线程执行步骤

1 ），那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。

由于空闲60秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。

前面提到过，SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。

CachedThreadPool使用SynchronousQueue，把主线程提交的任务传递给空闲线程执行。

CachedThreadPool中任务传递的示意图如图10-7所示。

2.3 ScheduledThreadPoolExecutor详解

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但 ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。

Timer对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

1. ScheduledThreadPoolExecutor的运行机制

ScheduledThreadPoolExecutor的执行示意图（本文基于JDK 6）如图10-8所示。

DelayQueue是一个无界队列，所以ThreadPoolExecutor的maximumPoolSize在ScheduledThreadPoolExecutor中没有什么意义

（设置maximumPoolSize的大小没有什么效果）。

ScheduledThreadPoolExecutor的执行主要分为两大部分。

当调用ScheduledThreadPoolExecutor的scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时，会向ScheduledThreadPoolExecutor的DelayQueue添加一个实现了 RunnableScheduledFuture接口的ScheduledFutureTask。
线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask，然后执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor为了实现周期性的执行任务，对ThreadPoolExecutor做了如下的修改。

使用DelayQueue作为任务队列。
获取任务的方式不同（后文会说明）。
执行周期任务后，增加了额外的处理（后文会说明）。

2. ScheduledThreadPoolExecutor的实现

前面我们提到过，ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中。

ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量，如下。

long型成员变量time，表示这个任务将要被执行的具体时间。
long型成员变量sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
long型成员变量period，表示任务执行的间隔周期。

DelayQueue封装了一个PriorityQueue，这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。

排序时，time小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个ScheduledFutureTask的time相同，就比较sequenceNumber，

sequenceNumber小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

首先，让我们看看ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行周期任务的过程。图10-9是ScheduledThreadPoolExecutor中的线程

1执行某个周期任务的4个步骤。

下面是对这4个步骤的说明。

线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()），到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间。
线程1执行这个ScheduledFutureTask。
线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间。
线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中（DelayQueue.add()）。

接下来，让我们看看上面的步骤1）获取任务的过程。下面是DelayQueue.take()方法的源代码实现。

图10-10是DelayQueue.take()的执行示意图。

如图所示，获取任务分为3大步骤。

获取Lock。
获取周期任务。

- 如果PriorityQueue为空，当前线程到Condition中等待；否则执行下面的 2.2
- 如果PriorityQueue的头元素的time时间比当前时间大，到Condition中等待到time时间；否则执行下面的 2.3
- 获取PriorityQueue的头元素（2.3.1）；如果PriorityQueue不为空，则唤醒在Condition中等待的所有线程（2.3.2）

释放Lock。ScheduledThreadPoolExecutor在一个循环中执行步骤2，直到线程从PriorityQueue获取到一个元素之后（执行2.3.1之后），才会退出无限循环（结束步骤2）。

最后，让我们看看ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行任务的步骤4，把 ScheduledFutureTask放入DelayQueue中的过

程。

下面是DelayQueue.add()的源代码实现。

图 10-11 是DelayQueue.add()的执行示意图。

如图所示，添加任务分为3大步骤。

获取Lock。
添加任务。

- 向PriorityQueue添加任务。
- 如果在上面2.1中添加的任务是PriorityQueue的头元素，唤醒在Condition中等待的所有线程。

释放Lock。

2.4 FutureTask详解

Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。

1. FutureTask简介

FutureTask除了实现Future接口外，还实现了Runnable接口。因此，FutureTask可以交给Executor执行，也可以由调用线程直接执

行（FutureTask.run()）。根据FutureTask.run()方法被执行的时机，FutureTask可以处于下面3种状态。

未启动FutureTask.run()方法还没有被执行之前，FutureTask处于未启动状态。

当创建一个FutureTask，且没有执行FutureTask.run()方法之前，这个FutureTask处于未启动状态。

已启动FutureTask.run()方法被执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。
已完成FutureTask.run()方法执行完后正常结束，或被取消（FutureTask.cancel（…）），或执行FutureTask.run()方法时抛出异常而异常结束，FutureTask处于已完成状态。

图10-12是FutureTask的状态迁移的示意图。

当FutureTask处于未启动或已启动状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞；当FutureTask处于已完成状态时，执行

FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或抛出异常。

当FutureTask处于未启动状态时，执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会被执行；当FutureTask处于已启动状态时，执

行FutureTask.cancel（true）方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务；

当FutureTask处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel（false）方法将不会对正在执行此任务的线程产生影响（让正在执行的任

务运行完成）；当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.cancel（…）方法将返回false。

图10-13是get方法和cancel方法的执行示意图。

2. FutureTask的使用

可以把FutureTask交给Executor执行；也可以通过ExecutorService.submit（…）方法返回一个 FutureTask，然后执行

FutureTask.get()方法或FutureTask.cancel（…）方法。除此以外，还可以单独使用FutureTask。

当一个线程需要等待另一个线程把某个任务执行完后它才能继续执行，此时可以使用 FutureTask。假设有多个线程执行若干任务，每

个任务最多只能被执行一次。当多个线程试图同时执行同一个任务时，只允许一个线程执行任务，其他线程需要等待这个任务执行完后

才能继续执行。下面是对应的示例代码。

上述代码的执行示意图如图10-14所示。

当两个线程试图同时执行同一个任务时，如果Thread 1执行1.3后Thread 2执行2.1，那么接下来Thread 2将在2.2等待，直到Thread

1执行完1.4后Thread 2才能从2.2（FutureTask.get()）返回。

3. FutureTask的实现

FutureTask的实现基于AbstractQueuedSynchronizer（以下简称为AQS）。java.util.concurrent中的很多可阻塞类（比如

ReentrantLock）都是基于AQS来实现的。AQS是一个同步框架，它提供通用机制来原子性管理同步状态、阻塞和唤醒线程，以及维护

被阻塞线程的队列。

JDK 6中AQS被广泛使用，基于AQS实现的同步器包括：ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock、

CountDownLatch和FutureTask。

每一个基于AQS实现的同步器都会包含两种类型的操作，如下：

至少一个acquire操作。这个操作阻塞调用线程，除非/直到AQS的状态允许这个线程继续执行。FutureTask的acquire操作为get()/get（long timeout，TimeUnit unit）方法调用。
至少一个release操作。这个操作改变AQS的状态，改变后的状态可允许一个或多个阻塞线程被解除阻塞。FutureTask的release操作包括run()方法和cancel（…）方法。

基于“复合优先于继承”的原则，FutureTask声明了一个内部私有的继承于AQS的子类Sync，对FutureTask所有公有方法的调用都会委

托给这个内部子类。

AQS被作为“模板方法模式”的基础类提供给FutureTask的内部子类Sync，这个内部子类只需要实现状态检查和状态更新的方法即可，

这些方法将控制FutureTask的获取和释放操作。具体来说，Sync实现了AQS的tryAcquireShared（int）方法和tryReleaseShared

（int）方法，Sync通过这两个方法来检查和更新同步状态。

FutureTask的设计示意图如图10-15所示。

如图所示，Sync是FutureTask的内部私有类，它继承自AQS。创建FutureTask时会创建内部私有的成员对象Sync，FutureTask所有

的的公有方法都直接委托给了内部私有的Sync。

FutureTask.get()方法会调用AQS.acquireSharedInterruptibly（int arg）方法，这个方法的执行过程如下：

1）调用AQS.acquireSharedInterruptibly（int arg）方法，这个方法首先会回调在子类Sync中实现的tryAcquireShared()方法来判断

acquire操作是否可以成功。acquire操作可以成功的条件为：state为执行完成状态RAN或已取消状态CANCELLED，且runner不为null。

2）如果成功则get()方法立即返回。如果失败则到线程等待队列中去等待其他线程执行release操作。

3）当其他线程执行release操作（比如FutureTask.run()或FutureTask.cancel（…））唤醒当前线程后，当前线程再次执行

tryAcquireShared()将返回正值1，当前线程将离开线程等待队列并唤醒它的后继线程（这里会产生级联唤醒的效果，后面会介绍）。

4）最后返回计算的结果或抛出异常。

FutureTask.run()的执行过程如下：

1）执行在构造函数中指定的任务（Callable.call()）。

2）以原子方式来更新同步状态（调用AQS.compareAndSetState（int expect，int update），设置 state为执行完成状态RAN）。如果

这个原子操作成功，就设置代表计算结果的变量result的值为Callable.call()的返回值，然后调用AQS.releaseShared（int arg）。

3）AQS.releaseShared（int arg）首先会回调在子类Sync中实现的tryReleaseShared（arg）来执行release操作（设置运行任务的线程

runner为null，然会返回true）；AQS.releaseShared（int arg），然后唤醒线程等待队列中的第一个线程。

4）调用FutureTask.done()。

当执行FutureTask.get()方法时，如果FutureTask不是处于执行完成状态RAN或已取消状态CANCELLED，当前执行线程将到AQS的线程

等待队列中等待（见下图的线程A、B、C和D）。

当某个线程执行FutureTask.run()方法或FutureTask.cancel（...）方法时，会唤醒线程等待队列的第一个线程

（见图10-16所示的线程E唤醒线程A）。

假设开始时FutureTask处于未启动状态或已启动状态，等待队列中已经有3个线程（A、B和C）在等待。此时，线程D执行get()方法将

导致线程D也到等待队列中去等待。

当线程E执行run()方法时，会唤醒队列中的第一个线程A。线程A被唤醒后，首先把自己从队列中删除，然后唤醒它的后继线程B，最后

线程A从get()方法返回。线程B、C和D重复A线程的处理流程。最终，在队列中等待的所有线程都被级联唤醒并从get()方法返回。

2.5 本章小结

本章介绍了Executor框架的整体结构和成员组件。希望读者阅读本章之后，能够对 Executor框架有一个比较深入的理解，同时也希望本

章内容有助于读者更熟练地使用Executor框架。

二、线程池（自我整理）

1. 基本概念

线程池主要是控制运⾏线程的数量，将待处理任务放到等待队列，然后创建线程执⾏这些任务。如果超过了最⼤线程数，则等待。

2. 为什么用线程池？

10年前单核CPU电脑，假的多线程，像⻢戏团⼩丑玩多个球，CPU需要来回切换。

现在是多核电脑，多个线程各⾃跑在独⽴的CPU上，不⽤切换效率⾼。

其实，合理利用线程池主要能够带来三个好处。

第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

第二：高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。

第三：高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行

统一的分配，调优和监控。

但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。

3. 线程池的优点

线程池的优点：线程池做的⼯作只要是控制运⾏的线程数量，处理过程中将任务放⼊队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程

数量超过了最⼤数量，超出数量的线程排队等候，等其他线程执⾏完毕，再从队列中取出任务来执⾏。

4. 线程池的特点

线程池的主要特点为：线程复⽤；控制最⼤并发数；管理线程。

线程复⽤：不⽤⼀直new新线程，重复利⽤已经创建的线程来降低线程的创建和销毁开销，节省系统资源。
提⾼响应速度：当任务达到时，不⽤创建新的线程，直接利⽤线程池的线程。
管理线程：<?可以控制最⼤并发数，控制线程的创建等。

5. 线程池体系

Executor → ExecutorService → AbstractExecutorService → ThreadPoolExecutor 。

Thr eadPoolExecutor 是线程池创建的核⼼类。

类似 Arrays 、 Collections ⼯具类， Executor 也有自己的⼯具类 Executors 。

6. 线程池三种常用创建⽅式

Java中的线程池是通过Executor框架实现的，该框架中⽤到了Executor，

Executors，ExecutorService，ThreadPoolExecutor这⼏个类

newFixedThreadPool线程池

使⽤ LinkedBlockingQueue 实现，定长线程池。

特点：执⾏⻓期任务性能好，创建⼀个线程池，⼀池有N个固定的线程，有固定线程数的线程

newSingleThreadExecutor线程池

使⽤ LinkedBlockingQueue 实现，⼀池只有⼀个线程。

特点：⼀个任务⼀个任务的执⾏，⼀池⼀线程

newCachedThreadPool线程池

使⽤ SynchronousQueue 实现，变⻓线程池。

特点：执⾏很多短期异步任务，线程池根据需要创建新线程，但在先前构建的线程可⽤时将重⽤他们。可扩容，遇强则强

7. 线程池代码演示

/**
 * 线程池代码演示
 */
public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("=======Fixed Thread Pool========");
        //⼀个池⼦有5个⼯作线程，类似银⾏有5个受理窗⼝
        threadPoolTask( Executors.newFixedThreadPool(5) );
        System.out.println("======Single Thread Pool=========");
        //⼀个池⼦有1个⼯作线程，类似银⾏有1个受理窗⼝
        threadPoolTask( Executors.newSingleThreadExecutor() );
        System.out.println("=====Cached Thread Pool=======");
        //不定量线程，⼀个池⼦有N个⼯作线程，类似银⾏有N个受理窗⼝
        threadPoolTask( Executors.newCachedThreadPool() );
        System.out.println("=====Custom Thread Pool=======");
        threadPoolTask( 
            new ThreadPoolExecutor(2,5,1L,TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(3),
                                               Executors.defaultThreadFactory(),
                                               new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
                                              ));
    }
 
    private static void threadPoolTask(ExecutorService threadPool) {
        //模拟有10个顾客来办理业务
        try {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                threadPool.execute(() -> {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t办理业务");
                });
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            threadPool.shutdown();
        }
    }
}

8. 线程池创建的七个参数

参数	意义
corePoolSize	线程池中的常驻核心线程数
maximumPoolSize	线程池中能够容纳同时指向的最大线程数，此值必须⼤于等于1
keepAliveTime	多余的空闲线程的存活时间，当前池中线程数量超过corePoolSize时，当空闲时间达到keepAliveTime时，多余线程会被销毁直到只剩下corePoolSize个线程为⽌
unit	keepAliveTime存活时间的单位
workQueue	任务队列，存放已提交但尚未执⾏的任务
threadFactory	表示⽣成线程池中⼯作线程的线程⼯⼚，⽤于创建线程，⼀般默认的即可
handler	拒绝策略，表示当队列满了，并且⼯作线程⼤于等于线程池的最⼤线程数（maximumPoolSize）时，如何来拒绝请求执⾏的runnable的策略

9. 线程池底层原理

理解：线程池的创建参数，就像⼀个银行。

corePoolSize 就像银⾏的“当值窗⼝“，⽐如今天有2位柜员在受理客户请求（任务）。

如果超过2个客户，那么新的客户就会在等候区（等待队列 workQueue ）等待。

当等候区也满了，这个时候就要开启“加班窗⼝”，让其它3位柜员来加班，此时达到最⼤窗⼝maximumPoolSize ，为5个。

如果开启了所有窗⼝，等候区依然满员，此时就应该启动”拒绝策略“ handler ，告诉不断涌⼊的客户，叫他们不要进⼊，已经爆满了。

由于不再涌⼊新客户，办完事的客户增多，窗⼝开始空闲，这个时候就通过 keepAlivetTime 将多余的3个”加班窗⼝“取消，恢复到2

个”当值窗⼝“。

案例图：

原理图：上⾯银⾏的例⼦，实际上就是线程池的⼯作原理。

流程图：

流程：

在创建了线程池后，开始等待请求。
当调⽤execute()⽅法添加⼀个请求任务时，线程池会做出如下判断：2.1 如果正在运⾏的线程数量⼩于 corePoolSize ，那么⻢上创建核⼼线程运⾏执⾏这个任务；2.2 如果正在运⾏的线程数量⼤于或等于 corePoolSize ，那么将这个任务放⼊队列；2.3 如果这个时候等待队列已满，且正在运⾏的线程数量⼩于 maximumPoolSize ，那么还是要创建⾮核⼼线程⽴刻运⾏这个任务；2.4 如果这个时候等待队列已满，且正在运⾏的线程数量⼤于或等于 maximumPoolSize ，那么线程池会启动饱和拒绝策略来执⾏。
当⼀个线程完成任务时，它会从等待队列中取出下⼀个任务来执⾏。
当⼀个线程⽆事可做超过⼀定的时间（ keepAliveTime ）后，线程会判断：如果当前运⾏的线程数⼤于 corePoolSize ，那么这个⾮核⼼线程就被停掉。当线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的⼤⼩。

《Java 开发⼿册》是阿⾥巴巴集团技术团队：

10. 线程池的拒绝策略

当等待队列满时，且达到最⼤线程数，再有新任务到来，就需要启动拒绝策略。JDK提供了四种拒绝策略，分别是。

AbortPolicy：默认的策略，直接抛出 RejectedExecutionException 异常，阻⽌系统正常运⾏。
CallerRunsPolicy：既不会抛出异常，也不会终⽌任务，⽽是将任务返回给调⽤者，从⽽降低新任务的流量。
DiscardOldestPolicy：抛弃队列中等待最久的任务，然后把当前任务加⼊队列中尝试再次提交任务。
DiscardPolicy：该策略默默地丢弃⽆法处理的任务，不予任何处理也不抛出异常。如果允许任务丢失，这是最好的⼀种策略。

AbortPolicy拒绝策略

CallerRunsPolicy拒绝策略

DiscardOldestPolicy拒绝策略

DiscardPolicy拒绝策略

11. 实际生产使用哪⼀个线程池？

单⼀、可变、定长都不用！

原因就是 FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor 底层都是⽤ LinkedBlockingQueue 实现的，这个队列

最⼤⻓度为 Integer.MAX_VALUE ，显然会导致OOM。所以实际⽣产⼀般自己通过 ThreadPoolExecutor 的7个参数，⾃定义线程池。

ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(2,5,1L,TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(3),
                                                    Executors.defaultThreadFactory(),
                                                    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
);

12. 自定义线程池参数选择

对于CPU密集型任务，最⼤线程数是CPU线程数+1。

对于IO密集型任务，尽量多配点，可以是CPU线程数*2，或者CPU线程数/(1-阻塞系数)。

IO密集型，即该任务需要⼤量的IO，即⼤量的阻塞。

在单线程上运⾏IO密集型的任务会导致浪费⼤量的CPU运算能⼒浪费在等待。

所以在IO密集型任务中使⽤多线程可以⼤⼤的加速程序运⾏，及时在单核CPU上，这种加速主要就是利⽤了被浪费掉的阻塞时间。

IO密集型时，⼤部分线程都阻塞，故需要多配置线程数：

参考公式：CPU核数 / 1 - 阻塞系数阻塞系数在 0.8~0.9 之间

⽐如 8 核 CPU：8/1 - 0.9 = 80个线程数

标签：多线程,迭代,队列,创建,任务,线程,FutureTask,执行
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