很多人竟然不知道Java線程池的創(chuàng)建方式有7種
前言
根據(jù)摩爾定律所說:集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每 18 個月翻一番,因此 CPU 上的晶體管數(shù)量會越來越多。
但隨著時間的推移,集成電路上可容納的晶體管數(shù)量已趨向飽和,摩爾定律也漸漸失效,因此多核 CPU 逐漸變?yōu)橹髁?,與之相對應的多線程編程也開始變得普及和流行起來,這當然也是很久之前的事了,對于現(xiàn)在而言多線程編程已經(jīng)成為程序員必備的職業(yè)技能了,那接下來我們就來盤一盤“線程池”這個多線程編程中最重要的話題。
什么是線程池?
線程池(ThreadPool)是一種基于池化思想管理和使用線程的機制。它是將多個線程預先存儲在一個“池子”內(nèi),當有任務出現(xiàn)時可以避免重新創(chuàng)建和銷毀線程所帶來性能開銷,只需要從“池子”內(nèi)取出相應的線程執(zhí)行對應的任務即可。
池化思想在計算機的應用也比較廣泛,比如以下這些:
- 內(nèi)存池(Memory Pooling):預先申請內(nèi)存,提升申請內(nèi)存速度,減少內(nèi)存碎片。
- 連接池(Connection Pooling):預先申請數(shù)據(jù)庫連接,提升申請連接的速度,降低系統(tǒng)的開銷。
- 實例池(Object Pooling):循環(huán)使用對象,減少資源在初始化和釋放時的昂貴損耗。
線程池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下 4 點:
- 降低資源消耗:通過池化技術重復利用已創(chuàng)建的線程,降低線程創(chuàng)建和銷毀造成的損耗。
- 提高響應速度:任務到達時,無需等待線程創(chuàng)建即可立即執(zhí)行。
- 提高線程的可管理性:線程是稀缺資源,如果無限制創(chuàng)建,不僅會消耗系統(tǒng)資源,還會因為線程的不合理分布導致資源調(diào)度失衡,降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用線程池可以進行統(tǒng)一的分配、調(diào)優(yōu)和監(jiān)控。
- 提供更多更強大的功能:線程池具備可拓展性,允許開發(fā)人員向其中增加更多的功能。比如延時定時線程池ScheduledThreadPoolExecutor,就允許任務延期執(zhí)行或定期執(zhí)行。
同時阿里巴巴在其《Java開發(fā)手冊》中也強制規(guī)定:線程資源必須通過線程池提供,不允許在應用中自行顯式創(chuàng)建線程。
說明:線程池的好處是減少在創(chuàng)建和銷毀線程上所消耗的時間以及系統(tǒng)資源的開銷,解決資源不足的問題。如果不使用線程池,有可能造成系統(tǒng)創(chuàng)建大量同類線程而導致消耗完內(nèi)存或者“過度切換”的問題。
知道了什么是線程池以及為什要用線程池之后,我們再來看怎么用線程池。
線程池使用
線程池的創(chuàng)建方法總共有 7 種,但總體來說可分為 2 類:
- 一類是通過 ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建的線程池;
- 另一個類是通過 Executors 創(chuàng)建的線程池。
線程池的創(chuàng)建方式總共包含以下 7 種(其中 6 種是通過 Executors 創(chuàng)建的,1 種是通過ThreadPoolExecutor 創(chuàng)建的):
- Executors.newFixedThreadPool:創(chuàng)建一個固定大小的線程池,可控制并發(fā)的線程數(shù),超出的線程會在隊列中等待;
- Executors.newCachedThreadPool:創(chuàng)建一個可緩存的線程池,若線程數(shù)超過處理所需,緩存一段時間后會回收,若線程數(shù)不夠,則新建線程;
- Executors.newSingleThreadExecutor:創(chuàng)建單個線程數(shù)的線程池,它可以保證先進先出的執(zhí)行順序;
- Executors.newScheduledThreadPool:創(chuàng)建一個可以執(zhí)行延遲任務的線程池;
- Executors.newSingleThreadScheduledExecutor:創(chuàng)建一個單線程的可以執(zhí)行延遲任務的線程池;
- Executors.newWorkStealingPool:創(chuàng)建一個搶占式執(zhí)行的線程池(任務執(zhí)行順序不確定)【JDK 1.8 添加】。
- ThreadPoolExecutor:最原始的創(chuàng)建線程池的方式,它包含了 7 個參數(shù)可供設置,后面會詳細講。
單線程池的意義從以上代碼可以看出 newSingleThreadExecutor 和 newSingleThreadScheduledExecutor 創(chuàng)建的都是單線程池,那么單線程池的意義是什么呢?答:雖然是單線程池,但提供了工作隊列,生命周期管理,工作線程維護等功能。
那接下來我們來看每種線程池創(chuàng)建的具體使用。
1.FixedThreadPool
創(chuàng)建一個固定大小的線程池,可控制并發(fā)的線程數(shù),超出的線程會在隊列中等待。
使用示例如下:
public static void fixedThreadPool() { // 創(chuàng)建 2 個數(shù)據(jù)級的線程池 ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2); // 創(chuàng)建任務 Runnable runnable = new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName()); } }; // 線程池執(zhí)行任務(一次添加 4 個任務) // 執(zhí)行任務的方法有兩種:submit 和 execute threadPool.submit(runnable); // 執(zhí)行方式 1:submit threadPool.execute(runnable); // 執(zhí)行方式 2:execute threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); }
執(zhí)行結果如下:
如果覺得以上方法比較繁瑣,還用更簡單的使用方法,如下代碼所示:
public static void fixedThreadPool() { // 創(chuàng)建線程池 ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2); // 執(zhí)行任務 threadPool.execute(() -> { System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName()); }); }
2.CachedThreadPool
創(chuàng)建一個可緩存的線程池,若線程數(shù)超過處理所需,緩存一段時間后會回收,若線程數(shù)不夠,則新建線程。
使用示例如下:
public static void cachedThreadPool() { // 創(chuàng)建線程池 ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool(); // 執(zhí)行任務 for (int i = 0; i < 10; i++) { threadPool.execute(() -> { System.out.println("任務被執(zhí)行,線程:" + Thread.currentThread().getName()); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { } }); } }
執(zhí)行結果如下:
從上述結果可以看出,線程池創(chuàng)建了 10 個線程來執(zhí)行相應的任務。
3.SingleThreadExecutor
創(chuàng)建單個線程數(shù)的線程池,它可以保證先進先出的執(zhí)行順序。
使用示例如下:
public static void singleThreadExecutor() { // 創(chuàng)建線程池 ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 執(zhí)行任務 for (int i = 0; i < 10; i++) { final int index = i; threadPool.execute(() -> { System.out.println(index + ":任務被執(zhí)行"); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { } }); } }
執(zhí)行結果如下:
4.ScheduledThreadPool
創(chuàng)建一個可以執(zhí)行延遲任務的線程池。
使用示例如下:
public static void scheduledThreadPool() { // 創(chuàng)建線程池 ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5); // 添加定時執(zhí)行任務(1s 后執(zhí)行) System.out.println("添加任務,時間:" + new Date()); threadPool.schedule(() -> { System.out.println("任務被執(zhí)行,時間:" + new Date()); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { } }, 1, TimeUnit.SECONDS); }
執(zhí)行結果如下:
從上述結果可以看出,任務在 1 秒之后被執(zhí)行了,符合我們的預期。
5.SingleThreadScheduledExecutor
創(chuàng)建一個單線程的可以執(zhí)行延遲任務的線程池。
使用示例如下:
public static void SingleThreadScheduledExecutor() { // 創(chuàng)建線程池 ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(); // 添加定時執(zhí)行任務(2s 后執(zhí)行) System.out.println("添加任務,時間:" + new Date()); threadPool.schedule(() -> { System.out.println("任務被執(zhí)行,時間:" + new Date()); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { } }, 2, TimeUnit.SECONDS); }
執(zhí)行結果如下:
從上述結果可以看出,任務在 2 秒之后被執(zhí)行了,符合我們的預期。
6.newWorkStealingPool
創(chuàng)建一個搶占式執(zhí)行的線程池(任務執(zhí)行順序不確定),注意此方法只有在 JDK 1.8+ 版本中才能使用。
使用示例如下:
public static void workStealingPool() { // 創(chuàng)建線程池 ExecutorService threadPool = Executors.newWorkStealingPool(); // 執(zhí)行任務 for (int i = 0; i < 10; i++) { final int index = i; threadPool.execute(() -> { System.out.println(index + " 被執(zhí)行,線程名:" + Thread.currentThread().getName()); }); } // 確保任務執(zhí)行完成 while (!threadPool.isTerminated()) { } }
執(zhí)行結果如下:
從上述結果可以看出,任務的執(zhí)行順序是不確定的,因為它是搶占式執(zhí)行的。
7.ThreadPoolExecutor
最原始的創(chuàng)建線程池的方式,它包含了 7 個參數(shù)可供設置。
使用示例如下:
public static void myThreadPoolExecutor() { // 創(chuàng)建線程池 ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(10)); // 執(zhí)行任務 for (int i = 0; i < 10; i++) { final int index = i; threadPool.execute(() -> { System.out.println(index + " 被執(zhí)行,線程名:" + Thread.currentThread().getName()); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } }
執(zhí)行結果如下:
ThreadPoolExecutor 參數(shù)介紹
ThreadPoolExecutor 最多可以設置 7 個參數(shù),如下代碼所示:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { // 省略... }
7 個參數(shù)代表的含義如下:
參數(shù) 1:corePoolSize
核心線程數(shù),線程池中始終存活的線程數(shù)。
參數(shù) 2:maximumPoolSize
最大線程數(shù),線程池中允許的最大線程數(shù),當線程池的任務隊列滿了之后可以創(chuàng)建的最大線程數(shù)。
參數(shù) 3:keepAliveTime
最大線程數(shù)可以存活的時間,當線程中沒有任務執(zhí)行時,最大線程就會銷毀一部分,最終保持核心線程數(shù)量的線程。
參數(shù) 4:unit:
單位是和參數(shù) 3 存活時間配合使用的,合在一起用于設定線程的存活時間 ,參數(shù) keepAliveTime 的時間單位有以下 7 種可選:
- TimeUnit.DAYS:天
- TimeUnit.HOURS:小時
- TimeUnit.MINUTES:分
- TimeUnit.SECONDS:秒
- TimeUnit.MILLISECONDS:毫秒
- TimeUnit.MICROSECONDS:微妙
- TimeUnit.NANOSECONDS:納秒
參數(shù) 5:workQueue
一個阻塞隊列,用來存儲線程池等待執(zhí)行的任務,均為線程安全,它包含以下 7 種類型:
- ArrayBlockingQueue:一個由數(shù)組結構組成的有界阻塞隊列。
- LinkedBlockingQueue:一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
- SynchronousQueue:一個不存儲元素的阻塞隊列,即直接提交給線程不保持它們。
- PriorityBlockingQueue:一個支持優(yōu)先級排序的無界阻塞隊列。
- DelayQueue:一個使用優(yōu)先級隊列實現(xiàn)的無界阻塞隊列,只有在延遲期滿時才能從中提取元素。
- LinkedTransferQueue:一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。與SynchronousQueue類似,還含有非阻塞方法。
- LinkedBlockingDeque:一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
較常用的是 LinkedBlockingQueue 和 Synchronous,線程池的排隊策略與 BlockingQueue 有關。
參數(shù) 6:threadFactory
線程工廠,主要用來創(chuàng)建線程,默認為正常優(yōu)先級、非守護線程。
參數(shù) 7:handler
拒絕策略,拒絕處理任務時的策略,系統(tǒng)提供了 4 種可選:
- AbortPolicy:拒絕并拋出異常。
- CallerRunsPolicy:使用當前調(diào)用的線程來執(zhí)行此任務。
- DiscardOldestPolicy:拋棄隊列頭部(最舊)的一個任務,并執(zhí)行當前任務。
- DiscardPolicy:忽略并拋棄當前任務。
默認策略為 AbortPolicy。
線程池的執(zhí)行流程
ThreadPoolExecutor 關鍵節(jié)點的執(zhí)行流程如下:
- 當線程數(shù)小于核心線程數(shù)時,創(chuàng)建線程。
- 當線程數(shù)大于等于核心線程數(shù),且任務隊列未滿時,將任務放入任務隊列。
- 當線程數(shù)大于等于核心線程數(shù),且任務隊列已滿:若線程數(shù)小于最大線程數(shù),創(chuàng)建線程;若線程數(shù)等于最大線程數(shù),拋出異常,拒絕任務。
線程池的執(zhí)行流程如下圖所示:
線程拒絕策略
我們來演示一下 ThreadPoolExecutor 的拒絕策略的觸發(fā),我們使用 DiscardPolicy 的拒絕策略,它會忽略并拋棄當前任務的策略,實現(xiàn)代碼如下:
public static void main(String[] args) { // 任務的具體方法 Runnable runnable = new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("當前任務被執(zhí)行,執(zhí)行時間:" + new Date() + " 執(zhí)行線程:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 等待 1s TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }; // 創(chuàng)建線程,線程的任務隊列的長度為 1 ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1), new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()); // 添加并執(zhí)行 4 個任務 threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); }
我們創(chuàng)建了一個核心線程數(shù)和最大線程數(shù)都為 1 的線程池,并且給線程池的任務隊列設置為 1,這樣當我們有 2 個以上的任務時就會觸發(fā)拒絕策略,執(zhí)行的結果如下圖所示:
從上述結果可以看出只有兩個任務被正確執(zhí)行了,其他多余的任務就被舍棄并忽略了。其他拒絕策略的使用類似,這里就不一一贅述了。
自定義拒絕策略
除了 Java 自身提供的 4 種拒絕策略之外,我們也可以自定義拒絕策略,示例代碼如下:
public static void main(String[] args) { // 任務的具體方法 Runnable runnable = new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("當前任務被執(zhí)行,執(zhí)行時間:" + new Date() + " 執(zhí)行線程:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 等待 1s TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }; // 創(chuàng)建線程,線程的任務隊列的長度為 1 ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1), new RejectedExecutionHandler() { @Override public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) { // 執(zhí)行自定義拒絕策略的相關操作 System.out.println("我是自定義拒絕策略~"); } }); // 添加并執(zhí)行 4 個任務 threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); threadPool.execute(runnable); }
程序的執(zhí)行結果如下:
究竟選用哪種線程池?
經(jīng)過以上的學習我們對整個線程池也有了一定的認識了,那究竟該如何選擇線程池呢?
我們來看下阿里巴巴《Java開發(fā)手冊》給我們的答案:
【強制】線程池不允許使用 Executors 去創(chuàng)建,而是通過 ThreadPoolExecutor 的方式,這樣的處理方式讓寫的同學更加明確線程池的運行規(guī)則,規(guī)避資源耗盡的風險。
說明:Executors 返回的線程池對象的弊端如下:
1) FixedThreadPool 和 SingleThreadPool:允許的請求隊列長度為 Integer.MAX_VALUE,可能會堆積大量的請求,從而導致 OOM。
2)CachedThreadPool:允許的創(chuàng)建線程數(shù)量為 Integer.MAX_VALUE,可能會創(chuàng)建大量的線程,從而導致 OOM。
所以綜上情況所述,我們推薦使用 ThreadPoolExecutor 的方式進行線程池的創(chuàng)建,因為這種創(chuàng)建方式更可控,并且更加明確了線程池的運行規(guī)則,可以規(guī)避一些未知的風險。
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