線程池的工作原理及其在業務中的實踐
作者：一安
線程池的主要組成部分包括工作線程、任務隊列、線程管理器等。線程池的設計有助于優化多線程程序的性能和資源利用，同時簡化了線程的管理和復用的復雜性。
簡介
什么是線程池？
線程池是一種用于管理和復用線程的機制。
線程池的核心思想是預先創建一定數量的線程，并把它們保存在線程池中，當有任務需要執行時，線程池會從空閑線程中取出一個線程來執行該任務。任務執行完畢后，線程不是被銷毀，而是返還給線程池，可以立即或稍后被再次用來執行其他任務。這種機制可以避免因頻繁創建和銷毀線程而帶來的性能開銷，同時也能控制同時運行的線程數量，從而提高系統的性能和資源利用率。
線程池的主要組成部分包括工作線程、任務隊列、線程管理器等。線程池的設計有助于優化多線程程序的性能和資源利用，同時簡化了線程的管理和復用的復雜性。
線程池有什么好處？
- 減少線程創建和銷毀的開銷，線程的創建和銷毀需要消耗系統資源，線程池通過復用線程，避免了對資源的頻繁操作，從而提高系統性能；
- 控制和優化系統資源利用，線程池通過控制線程的數量，可以盡可能地壓榨機器性能，提高系統資源利用率；
- 提高響應速度，線程池可以預先創建線程且通過多線程并發處理任務，提升任務的響應速度及系統的并發性能；
線程池狀態
RUNNING：線程池一旦被創建，就處于RUNNING狀態，任務數為0，能夠接收新任務，對已排隊的任務進行處理。SHUTDOWN：不接收新任務，但能處理已排隊的任務。當調用線程池的shutdown()方法時，線程池會由RUNNING轉變為SHUTDOWN狀態。STOP：不接收新任務，不處理已排隊的任務，并且會中斷正在處理的任務。當調用線程池的shutdownNow()方法時，線程池會由RUNNING或SHUTDOWN轉變為STOP狀態。TIDYING：當線程池在SHUTDOWN狀態下，任務隊列為空且執行中任務為空，或者線程池在STOP狀態下，線程池中執行中任務為空時，線程池會變為TIDYING狀態，會執行terminated()方法。這個方法在線程池中是空實現，可以重寫該方法進行相應的處理。TERMINATED：線程池徹底終止。線程池在TIDYING狀態執行完terminated()方法后，就會由TIDYING轉變為TERMINATED狀態。
線程狀態
- 初始(
NEW)：新創建了一個線程對象，但還沒有調用start()方法。 - 運行(
RUNNABLE)：Java線程中將就緒（READY）和運行中（RUNNING）兩種狀態籠統的稱為“運行”。
a.就緒（READY）:線程對象創建后，其他線程(比如main線程）調用了該對象的start()方法。該狀態的線程位于可運行線程池中，等待被線程調度選中并分配cpu使用權 。
b.運行中（RUNNING）：就緒(READY)的線程獲得了cpu時間片，開始執行程序代碼。
- 阻塞(
BLOCKED)：表示線程阻塞于鎖。 - 等待(
WAITING)：進入該狀態的線程需要等待其他線程做出一些特定動作（通知或中斷）。 - 超時等待(
TIMED_WAITING)：該狀態不同于WAITING，它可以在指定的時間后自行返回。 - 終止(
TERMINATED)：表示該線程已經執行完畢。
拒絕策略
線程池的拒絕策略決定了在任務隊列已滿的情況下，如何處理新提交的任務。
AbortPolicy- 這是默認的拒絕策略，當線程池無法接受新任務時，會拋出RejectedExecutionException異常。這意味著新任務會被立即拒絕，不會加入到任務隊列中，也不會執行。通常情況下都是使用這種拒絕策略。DiscardPolicy- 這個策略在任務隊列已滿時，會丟棄新的任務而且不會拋出異常。新任務提交后會被默默地丟棄，不會有任何提示或執行。這個策略一般用于日志記錄、統計等不是非常關鍵的任務。DiscardOldestPolicy- 這個策略也會丟棄任務，但它會先嘗試將任務隊列中最早的任務刪除，然后再嘗試提交新任務。如果任務隊列已滿，且線程池中的線程都在工作，可能會導致一些任務被丟棄。這個策略對于一些實時性要求較高的場景比較合適。CallerRunsPolicy- 這個策略將任務回退給調用線程，而不會拋出異常。調用線程會嘗試執行任務。這個策略可以降低任務提交速度，適用于任務提交者能夠承受任務執行的壓力，但希望有一種緩沖機制的情況。
?
一般來說，默認的拒絕策略還是比較常用的，因為大多數情況下我們不太會讓任務多到線程池中放不下，要不然就提升執行速度，要不然就提升隊列長度了。
工作原理
- 任務提交：當有新任務提交到線程池時，線程池會根據當前狀態決定如何處理該任務。
- 核心線程處理：如果當前運行的線程數少于核心線程數（
corePoolSize），線程池會立即創建一個新線程來執行任務，即使其他核心線程處于空閑狀態。 - 任務隊列緩沖：如果當前運行的線程數等于或大于核心線程數，新任務會被放入任務隊列（
workQueue）中等待執行。 - 最大線程處理：如果任務隊列已滿且運行的線程數少于最大線程數（
maximumPoolSize），線程池會創建新的線程來處理任務。 - 拒絕策略執行：如果任務隊列已滿且運行的線程數等于最大線程數，線程池會執行拒絕策略（
RejectedExecutionHandler）來處理新提交的任務。 - 線程回收：當線程完成任務后，如果空閑時間超過
keepAliveTime，非核心線程會被回收，以減少資源消耗。
如何使用
創建線程池
public class ThreadPoolUtils {
/**
* 線程池
*/
private static ExecutorService executor = initDefaultExecutor();
/**
* 統一的獲取線程池對象方法
*/
public static ExecutorService getExecutor() {
return executor;
}
private static final int DEFAULT_THREAD_SIZE = 16;
private static final int DEFAULT_QUEUE_SIZE = 10240;
private static ExecutorService initDefaultExecutor() {
return new ThreadPoolExecutor(
DEFAULT_THREAD_SIZE, // 核心線程數
DEFAULT_THREAD_SIZE, // 最大線程數
300, TimeUnit.SECONDS, // 線程空閑時間
new ArrayBlockingQueue<>(DEFAULT_QUEUE_SIZE), // 任務隊列
new DefaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); // 拒絕策略
}
}創建一個簡單的任務類，并將其提交到線程池中執行:
class MyTask implements Runnable {
private final int taskId;
public MyTask(int taskId) {
this.taskId = taskId;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("Task " + taskId + " is being executed by thread " + Thread.currentThread().getName());
try {
// 模擬任務執行時間
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Task " + taskId + " has been completed.");
}
}
public class ThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executor = ThreadPoolUtils.getExecutor();
// 提交任務到線程池
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
executor.submit(new MyTask(i));
}
// 關閉線程池
executor.shutdown();
try {
// 等待所有任務執行完畢
if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
// 如果等待超時，中斷線程池中的線程
executor.shutdownNow();
}
} catch (InterruptedException e) {
// 如果在等待過程中被中斷，中斷線程池中的線程
executor.shutdownNow();
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}責任編輯：龐桂玉
來源：
一安未來
