Java 多线程（七）：线程池

作者：Grey

原文地址：

博客园：Java 多线程（七）：线程池

CSDN：Java 多线程（七）：线程池

工作原理

线程池内部是通过队列结合线程实现的，当我们利用线程池执行任务时：

如果此时线程池中的线程数量小于corePoolSize，即使线程池中的线程都处于空闲状态，也要创建新的线程来处理被添加的任务。
如果此时线程池中的线程数量等于corePoolSize，但是缓冲队列workQueue未满，那么任务被放入缓冲队列。
如果此时线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，缓冲队列workQueue已满，并且线程池中的线程数量小于maximumPoolSize，建新的线程来处理被添加的任务。
如果此时线裎池中的线数量大于corePoolSize，缓存冲队列workQueue已满, 并且线程池中的数量等于maximumPoolSize，那么过handler所指定的策略来处理此任务。
当线程池中的线程数量大于corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime, 线将被终止。这样，线程池可以动态的调整池中的线程数。

SingleThreadPool

保证线程按顺序执行
为什么要有单线程的线程池？这个主要是用来做任务队列和线程生命周期管理
使用LinkedBlockingQueue作为任务队列，上界为：Integer.MAX_VALUE(2147483647) 约等于无界。

示例代码见：

package git.snippets.juc;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

import static java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;

public class SingleThreadPoolUsage {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int j = i;
            service.submit(() -> System.out.println("current thread " + Thread.currentThread() + "  " + j));
        }
        service.shutdown();
        service.awaitTermination(60, SECONDS);
    }
}

CachedThreadPool

corePoolSize：0
maxiumPoolSize：Integer.MAX_VALUE(2147483647)
keepAliveTime 60秒
使用SynchronousQueue作为任务队列必须马上执行

使用示例：

package git.snippets.juc;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CachedThreadPoolUsage {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("cached thread pool usage...");
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        System.out.println(service);
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            service.execute(() -> {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        System.out.println(service);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(80);
        System.out.println(service);
    }
}

FixedThreadPool

最大线程数等于核心线程数
使用LinkedBlockingQueue作为任务队列，上界为：Integer.MAX_VALUE(2147483647)

使用示例见：

package git.snippets.juc;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 多线程和单线程计算某个范围内的所有素数
 */
public class FixedThreadPoolUsage {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        getPrime(1, 200000);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("use single thread...cost: " + (end - start));

        final int cpuCoreNum = 4;

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(cpuCoreNum);

        MyTask t1 = new MyTask(1, 80000); //1-5 5-10 10-15 15-20
        MyTask t2 = new MyTask(80001, 130000);
        MyTask t3 = new MyTask(130001, 170000);
        MyTask t4 = new MyTask(170001, 200000);

        Future<List<Integer>> f1 = service.submit(t1);
        Future<List<Integer>> f2 = service.submit(t2);
        Future<List<Integer>> f3 = service.submit(t3);
        Future<List<Integer>> f4 = service.submit(t4);
        System.out.println();
        start = System.currentTimeMillis();
        f1.get();
        f2.get();
        f3.get();
        f4.get();
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("use fixed thread pool...cost: " + (end - start));
        service.shutdown();
        service.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    }

    static boolean isPrime(int num) {
        for (int i = 2; i <= num / 2; i++) {
            if (num % i == 0) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    static List<Integer> getPrime(int start, int end) {
        List<Integer> results = new ArrayList<>();
        for (int i = start; i <= end; i++) {
            if (isPrime(i)) results.add(i);
        }

        return results;
    }

    static class MyTask implements Callable<List<Integer>> {
        int startPos, endPos;

        MyTask(int s, int e) {
            this.startPos = s;
            this.endPos = e;
        }

        @Override
        public List<Integer> call() {
            List<Integer> r = getPrime(startPos, endPos);
            return r;
        }

    }
}

代码说明：本实例演示了多线程和单线程计算某个范围内的所有素数。输出结果如下

use single thread...cost: 1733

use fixed thread pool...cost: 505

ScheduledThreadPool

使用DelayWorkQueue，包括了如下两个主要方法

scheduleAtFixedRate()

当前任务执行时间小于间隔时间，每次到点即执行；

当前任务执行时间大于等于间隔时间，任务执行后立即执行下一次任务。相当于连续执行了。

scheduleWithFixedDelay()

每当上次任务执行完毕后，间隔一段时间执行。不管当前任务执行时间大于、等于还是小于间隔时间，执行效果都是一样的。

使用示例：

package git.snippets.juc;

import java.util.Date;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;

import static java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS;

public class ScheduleThreadPoolUsage {
    static ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);


    public static void main(String[] args) {
        test1();
        test2();
        test3();
    }

    /**
     * 任务执行时间（8s）小于间隔时间(10s)
     */
    public static void test1() {
        scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("Start: scheduleAtFixedRate:    " + new Date());
            try {
                Thread.sleep(8000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("End  : scheduleAtFixedRate:    " + new Date());
        }, 0, 10, SECONDS);
    }

    /**
     * 任务执行时间（12s）大于间隔时间(10s)
     */
    public static void test2() {
        scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("Start: scheduleAtFixedRate:    " + new Date());
            try {
                Thread.sleep(12000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("End  : scheduleAtFixedRate:    " + new Date());
        }, 0, 10, SECONDS);
    }

    /**
     * 任务执行时间（8s）小于间隔时间(10s)
     */
    public static void test3() {
        scheduler.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            System.out.println("Start: scheduleWithFixedDelay: " + new Date());
            try {
                Thread.sleep(12000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("End  : scheduleWithFixedDelay: " + new Date());
        }, 0, 10, SECONDS);
    }
}

ForkJoinPool

Java SE 1.7 以后新增的线程池，包括以下两个核心类

第一个是：RecursiveAction

它是一种没有任何返回值的任务。只是做一些工作，比如写数据到磁盘，然后就退出了。一个RecursiveAction可以把自己的工作分割成更小的几块，这样它们可以由独立的线程或者 CPU 执行。
我们可以通过继承来实现一个RecursiveAction。

第二个是：RecursiveTask

它是一种会返回结果的任务。可以将自己的工作分割为若干更小任务，并将这些子任务的执行合并到一个集体结果。可以有几个水平的分割和合并。

使用示例：

package git.snippets.juc;

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveAction;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.LongStream;

/**
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @date 2021/4/25
 * @since 1.7
 */
public class ForkJoinPoolUsage implements Calculator {
    private ForkJoinPool pool;

    public ForkJoinPoolUsage() {
        // 也可以使用公用的 ForkJoinPool：
        // pool = ForkJoinPool.commonPool()
        pool = new ForkJoinPool();
    }

    public static void useRecursiveAction() throws InterruptedException {
        // 创建包含Runtime.getRuntime().availableProcessors()返回值作为个数的并行线程的ForkJoinPool
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        // 提交可分解的PrintTask任务
        forkJoinPool.submit(new MyRecursiveAction(0, 1000));

        while (!forkJoinPool.isTerminated()) {
            forkJoinPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
        }
        // 关闭线程池
        forkJoinPool.shutdown();
    }

    public static void useRecursiveTask() {
        long[] numbers = LongStream.rangeClosed(1, 1000).toArray();
        Calculator calculator = new ForkJoinPoolUsage();
        System.out.println(calculator.sumUp(numbers)); // 打印结果500500
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        useRecursiveTask();
        useRecursiveAction();
    }

    @Override
    public long sumUp(long[] numbers) {
        return pool.invoke(new SumTask(numbers, 0, numbers.length - 1));
    }

    private static class MyRecursiveAction extends RecursiveAction {

        /**
         * 每个"小任务"最多只打印20个数
         */
        private static final int MAX = 20;

        private int start;
        private int end;

        public MyRecursiveAction(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected void compute() {
            //当end-start的值小于MAX时，开始打印
            if ((end - start) < MAX) {
                for (int i = start; i < end; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-i的值" + i);
                }
            } else {
                // 将大任务分解成两个小任务
                int middle = (start + end) / 2;
                MyRecursiveAction left = new MyRecursiveAction(start, middle);
                MyRecursiveAction right = new MyRecursiveAction(middle, end);
                left.fork();
                right.fork();
            }
        }


    }

    private static class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
        private long[] numbers;
        private int from;
        private int to;

        public SumTask(long[] numbers, int from, int to) {
            this.numbers = numbers;
            this.from = from;
            this.to = to;
        }


        @Override
        protected Long compute() {

            // 当需要计算的数字小于6时，直接计算结果
            if (to - from < 6) {
                long total = 0;
                for (int i = from; i <= to; i++) {
                    total += numbers[i];
                }
                return total;
                // 否则，把任务一分为二，递归计算
            } else {
                int middle = (from + to) / 2;
                SumTask taskLeft = new SumTask(numbers, from, middle);
                SumTask taskRight = new SumTask(numbers, middle + 1, to);
                taskLeft.fork();
                taskRight.fork();
                return taskLeft.join() + taskRight.join();
            }
        }
    }
}

interface Calculator {
    long sumUp(long[] numbers);
}

此外，Java 的流式 API 底层也是 ForkJoinPool 实现的。

更多内容参考如下两篇文章

ForkJoinPool 的使用以及原理

聊聊并发（八）——Fork/Join 框架介绍

WorkStealingPool

每个线程都有单独的队列，每个线程队列执行完毕后，就会去其他的线程队列里面拿过来执行, 底层是ForkJoinPool

Java SE 1.8 新增
会自动启动 CPU 核数个线程去执行任务

使用示例：

/**
 *
 */
package git.snippets.juc;

import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @since 1.8
 */
public class WorkStealingPoolUsage {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int core = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        //  会自动启动cpu核数个线程去执行任务 ,其中第一个是1s执行完毕,其余都是2s执行完毕,
        //  有一个任务会进行等待,当第一个执行完毕后,会再次偷取最后一个任务执行
        ExecutorService service = Executors.newWorkStealingPool();
        service.execute(new R(1000));
        for (int i = 0; i < core; i++) {
            service.execute(new R(2000));
        }
        //由于产生的是精灵线程（守护线程、后台线程），主线程不阻塞的话，看不到输出
        System.in.read();
    }

    static class R implements Runnable {

        int time;

        R(int t) {
            this.time = t;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(time);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(time + " " + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

CompletableFuture

Java SE 1.8 新增
anyOf()可以实现“任意个 CompletableFuture 只要一个成功”，allOf()可以实现“所有 CompletableFuture 都必须成功”，这些组合操作可以实现非常复杂的异步流程控制。

使用示例：

package git.snippets.juc;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 假设你能够提供一个服务
 * 这个服务查询各大电商网站同一类产品的价格并汇总展示
 */
public class CompletableFutureUsage {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        way1();
        way2();
    }

    public static void way1() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("p1 " + priceOfJD());
        System.out.println("p2 " + priceOfTB());
        System.out.println("p3 " + priceOfTM());
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("串行执行，耗时(ms):" + (end - start));
    }

    public static void way2() throws ExecutionException, InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        CompletableFuture<Double> p1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfJD());
        CompletableFuture<Double> p2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfTB());
        CompletableFuture<Double> p3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> priceOfTM());
        CompletableFuture.allOf(p1, p2, p3).join();
        System.out.println("p1 " + p1.get());
        System.out.println("p2 " + p2.get());
        System.out.println("p3 " + p3.get());
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用CompletableFuture并行执行，耗时(ms): " + (end - start));
    }

    private static double priceOfTM() {
        delay();
        return 1.00;
    }

    private static double priceOfTB() {
        delay();
        return 2.00;
    }

    private static double priceOfJD() {
        delay();
        return 3.00;
    }

    private static void delay() {
        int time = new Random().nextInt(500);
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

证明原子操作类比synchronized更高效

示例代码如下

package git.snippets.juc;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 证明原子操作类比synchronized更高效
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @date 2021/4/26
 */
public class AtomVSSync {
    public static void main(String[] args) {
        test1();
    }

    AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
    int count = 0;
    final static int TIMES = 80000000;

    void m() {
        for (int i = 0; i < TIMES; i++) {
            atomicCount.incrementAndGet(); //原子操作
        }
    }

    void m2() {
        for (int i = 0; i < TIMES; i++) {
            synchronized (this) {
                count++;
            }
        }
    }


    public static void test1() {
        AtomVSSync t1 = new AtomVSSync();
        AtomVSSync t2 = new AtomVSSync();
        long time1 = time(t1::m);
        System.out.println("使用原子类得到的结果是：" + t1.atomicCount);
        long time2 = time(t2::m2);
        System.out.println("使用synchronized得到的结果是：" + t2.count);

        System.out.println("使用原子类花费的时间是：" + time1);
        System.out.println("使用 synchronized 花费的时间是 ：" + time2);
    }

    private static long time(Runnable runnable) {
        List<Thread> threads = new ArrayList<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads.add(new Thread(runnable, "thread-" + i));
        }
        threads.forEach(Thread::start);
        threads.forEach(o -> {
            try {
                o.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }
}

Java SE 11 下运行上述代码，代码输出结果如下：

使用原子类得到的结果是：800000000
使用synchronized得到的结果是：800000000
使用原子类花费的时间是：12111
使用 synchronized 花费的时间是 ：16471

AtomXXX类可以保证可见性吗？

可以。

代码如下

package git.snippets.juc;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

/**
 * AtomXXX类可以保证可见性吗？请写一个程序来证明
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @date 2021/4/26
 */
public class AtomVisible {
    public static void main(String[] args) {
        test2();
    }

    AtomicBoolean running = new AtomicBoolean(true);

    void m3() {
        System.out.println("m1 start");
        while (running.get()) {  //死循环。只有running=false时，才能执行后面的语句

        }
        System.out.println("m2 end");
    }

    public static void test2() {
        AtomVisible t = new AtomVisible();
        new Thread(t::m3, "t1").start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t.running.getAndSet(false);

    }
}

输出结果

m1 start
m2 end

写一个程序证明AtomXXX类的多个方法并不构成原子性

package git.snippets.juc;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 写一个程序证明AtomXXX类的多个方法并不构成原子性
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @date 2021/4/26
 */
public class MultiAtomMethod {
    public static void main(String[] args) {
        test3();
    }

    AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    void m4() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            if (count.get() < 999 && count.get() >= 0) { //如果未加锁,之间还会有其他线程插进来
                count.incrementAndGet();
            }
        }
    }

    public static void test3() {
        MultiAtomMethod t = new MultiAtomMethod();
        List<Thread> threads = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threads.add(new Thread(t::m4, "thread" + i));
        }
        threads.forEach(Thread::start);
        threads.forEach((o) -> {
            try {
                //join()方法阻塞调用此方法的线程,直到线程t完成，此线程再继续。通常用于在main()主线程内，等待其它线程完成再结束main()主线程。
                o.join(); //相当于在main线程中同步o线程，o执行完了，main线程才有执行的机会
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(t.count);
    }
}