Java 线程池 ThreadPoolExecutor

- - 0，Java 线程状态转换
  - 1，Java 线程池的三种创建方式
  - 2，ThreadPoolExecutor 类的原理
  - - 1，构造方法及参数含义
    - 2，一些重要方法
    - 3，线程池状态
    - 4，线程池模型
  - 3，任务的执行过程
  - 4，合理设置线程池的大小

0，Java 线程状态转换

1，Java 线程池的三种创建方式

    newCacheThreadPool()：核心线程数是 0，非核心线程数是 2^31 - 1，没有阻塞队列（不存放任务）
        适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况
    newFixedThreadPool(n)：核心线程数是 n，没有非核心线程，阻塞队列最大为 2^31 - 1
        适用于任务量已知，相对耗时的任务
    newSingleThreadExecutor()：核心线程数是 1，没有非核心线程，阻塞队列最大为 2^31 - 1
        适用于多个任务排队执行

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(
            0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>());
}
 
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(
            nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
 
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

可以看到以上三种创建方式实际使用的都是 ThreadPoolExecutor 类，只是参数不同而已。

2，ThreadPoolExecutor 类的原理

    ThreadPoolExecutor：基本的线程池实现
    ScheduledThreadPoolExecutor：任务调度线程池：带有定时任务的线程池
        在『任务调度线程池』功能加入之前，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能，Timer 的优点在于简单易用
        但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务

线程池有五种状态：

    RUNNING：正常运行状态，可接收新任务，可处理阻塞队列中的任务
    SHUTDOWN：不会接收新任务，但会处理阻塞队列剩余任务
    STOP：会中断正在执行的任务，并抛弃阻塞队列任务
    TIDYING：任务全执行完毕，活动线程为 0，即将进入终结
    TERMINATED：终结状态

1，构造方法及参数含义

ThreadPoolExecutor 类位于 java.uitl.concurrent 包中，其参数含义如下：

public ThreadPoolExecutor(
        int corePoolSize,                   // 核心线程数，核心线程就是一直存在的线程
         
        int maximumPoolSize,                // 最大线程数，表示线程池中最多能创建多少个线程
                                            // 非核心线程数 = 最大线程数 - 核心线程数
                                             
        long keepAliveTime,                 // 针对非核心线程而言，表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止
            // 默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用
            //      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，
            //      则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize
            // 但是如果调用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法
            //      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 unit,                      // 时间单位，与 keepAliveTime 配合使用，针对非核心线程
         
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,    // 存放任务的阻塞队列
         
        ThreadFactory threadFactory,        // 创建线程的工厂，可以为线程创建时起个好名字
         
        RejectedExecutionHandler handler    // 拒绝策略
                                            // 任务太多的时候会进行拒绝操作
                                            // 核心线程，非核心线程，任务队列都放不下时
)

unit 参数有7种取值，在 TimeUni t类中有7种静态属性：

TimeUnit.DAYS;              //天
TimeUnit.HOURS;             //小时
TimeUnit.MINUTES;           //分钟
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //纳秒

workQueue 参数表示一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，有以下几种选择：

    ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小
    LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为 Integer.MAX_VALUE
    SynchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务

handler 参数表示拒绝策略，当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到 maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略。

handler 通常有以下四种策略：

    ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常（这是默认策略）
    ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但不抛出异常
    ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
    ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程（调用者）处理该任务

2，一些重要方法

ThreadPoolExecutor 类中的几个重要方法：

    execute()：向线程池提交一个任务，交由线程池去执行
    submit()：也是向线程池提交任务，但是和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果
        它实际上还是调用的 execute() 方法，只不过它利用了 Future 来获取任务执行结果
    invokeAll()：提交一个任务集合
    invokeAny()：提交一个任务集合，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消
    shutdown()：关闭线程池，再也不会接受新的任务
        不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止
    shutdownNow()：关闭线程池，再也不会接受新的任务
        立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
    isShutdown()：不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
    isTerminated()：线程池状态是否是 TERMINATED

动态调整线程池的大小：

    setCorePoolSize：设置 corePoolSize
    setMaximumPoolSize：设置 maximumPoolSize

还有一些方法：

    getQueue()
    getPoolSize()
    getActiveCount()
    getCompletedTaskCount()

3，线程池状态

在 ThreadPoolExecutor 中定义了一个 volatile 变量，另外定义了几个 static final变量表示线程池的各个状态：

volatile int runState;              // 当前线程池的状态
static final int RUNNING    = 0;
static final int SHUTDOWN   = 1;
static final int STOP       = 2;
static final int TERMINATED = 3;

线程池的状态变化：

    当创建线程池后，线程池处于 RUNNING 状态
    当调用了 shutdown() 方法，则线程池处于 SHUTDOWN 状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕
    当调用了 shutdownNow() 方法，则线程池处于 STOP 状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务
    当线程池处于 SHUTDOWN 或 STOP 状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为 TERMINATED 状态

4，线程池模型

大体上由三大部分组成：

    核心线程：一直存在的线程，数量为 corePoolSize
        在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务；当线程池中的线程数目达到 corePoolSize 后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
        除非手动调用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，来预创建线程，即在没有任务到来之前就创建线程。
    非核心线程：临时创建的线程，会根据任务的多少来进行创建
        当然总的非核心线程的数量不能大于 maximumPoolSize - corePoolSize
        如果总的非核心线程的数量很大，并且任务非常多，就会创建非常多的线程
    任务队列：
        SynchronousQueue：只能存放一个任务
        LinkedBlockingQueue：可以无限存放任务，如果任务超级多，会有内存溢出的可能

    同一时刻，线程池中所能接纳的最大任务数为：maximumPoolSize + 任务队列的长度；
    当超出这个范围后，如果再有新的任务过来，将会被拒绝。

线程池中的线程的初始化：

    默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程
    在实际中，如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：
        prestartCoreThread()：初始化一个核心线程
        prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心线程

处理任务的流程：

    如果当前线程池中的线程数目小于 corePoolSize，每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务
    如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中
        若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行
        若添加失败（一般来说是任务缓存队列已满），则会尝试创建临时线程去执行这个任务
    当核心线程，任务队列，非核心线程都使用完后，如果还有新的任务过来，将会进行拒绝处理

    线程复用：当线程处理完已分配的任务后，在没有销毁之前，还会用于去处理新的任务。这样可以避免创建过多的线程。

3，任务的执行过程

源码部分是 ThreadPoolExecutor 类中的 execute 方法：

流程图如下：

4，合理设置线程池的大小

一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：

如果是 CPU密集型任务，就需要尽量压榨 CPU，可以设为 CPU个数+1
如果是 IO密集型任务，可以设置为 CPU个数*2

这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。