【多线程】线程池

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1. 线程池含义和作用

线程池是什么呢？看到"池"这个字，我们很容易联想到，字符串常量池，数据库连接池等，有关于"池"这个概念，还是很常见的，池的目的是为了提高效率

线程的创建虽然比进程轻量，但是在频繁创建的情况下，开销也是不可忽略的！因此，希望进一步提高效率，有以下两种：
1）协程，即轻量级线程，目前Java标准库还不支持（C++是标准库层面支持，Java是第三库层面上支持，Go、Python是语法层面上支持，本期内容不作展开）
2）线程池

【线程池】是通过预先创建一定数量的线程，并将这些线程放入一个池中，当有任务需要执行时，线程池会从池中取出一个空闲的线程来执行该任务，而不是每来一个任务就创建一个新的线程，任务执行完毕后，线程并不会被销毁，而是返回线程池中等待下一个任务的到来，即提前把线程准备好，创建线程的时候不是直接从系统中申请，而是从池子里拿出来，等到线程不用了，归还给池子

线程池作用：线程池最大的好处即为减少每次创建、销毁线程的损耗

• 降低资源消耗：通过复用已存在的线程，减少线程创建和销毁的开销，从而节省CPU和内存资源
• 提高响应速度：当任务来时，可立即从线程池中取出空闲线程来执行任务，无需等待新线程的创建
• 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制地创建，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分配、调优和监控

2. 线程池获取线程高效的原因

Q：为什么从线程池获取线程比从系统创建线程更高效呢？
A：从线程池获取线程，纯用户态操作；从系统创建线程，涉及到用户态和内核态之间的切换，纯用户态操作时间是可控的，但涉及到内核态操作，时间就不太可控了!

【补充】用户态和内核态相关知识

用户态，内核态是操作系统的基本概念

一个操作系统 = 内核 + 配套的应用程序

其中，内核是操作系统最核心的功能模块集合，如硬件管理，各种驱动，进程管理，内存管理，文件系统等等，而在这个内核需要给上层应用程序提供支持

比如，在完成打印 hello world 的操作，System.out.println("hello world");，应用程序就要调用系统内核，告诉内核操作，我要进行一个打印字符的操作，内核再通过驱动程序，操作显示器，完成上述打印功能

但是同一时刻可能有很多个应用程序，而内核仅只有一个，内核要给这么多程序提供服务，因此，有时候就会导致服务不一定那么及时！

举一个生活中的栗子，以便我们更方便理解：

假如去银行办理业务，如果人很多的时候需要排队，依次办理，这里的大厅就相当于用户态，柜台就相当于内核态，假设该银行仅有 1 个柜台，首先排到的人先办理业务，她想办一张银行卡，只带了身份证却没有带身份证复印件，这个时候，工作人员给她两个方案：一是自己拿着身份证去大厅复印机复印，二是将身份证交给工作人员，由工作人员帮忙在柜台复印
这两种方案在效率上是有差异的：
1）自己去复印，就立即去复印立即回来了，中间不耽误，时间是可控的
2）工作人员去复印，比如工作人员现在肚子不舒服需要去上个厕所，或者是去打个水喝口水，总之工作人员可能还会干点别的事情，最后的结果肯定是可以复印的，但是就没有那么及时了，时间不太可控了~

3. Java 标准库中的线程池

3.1 ExecutorService 接口

Java 标准库中提供 ExecutorService，ExecutorService 在 Java 中是 java.util.concurrent(简称JUC)包下的一个接口，继承 Executor 接口，它代表一个异步执行机制，用于管理和执行异步任务

ExecutorService 接口定义了一组方法，用于管理线程池，比如：

• 提交任务：通过 ExecutorService，可以提交任务，比如 Runnable 或 Callable 实例，给线程池来异步执行，而不需要显式地创建和管理线程，通过 submit(Runnable task) 或submit(Callable<T> task) 提交任务给线程池执行

• 关闭线程池：通过 shutdown() 或 shutdownNow() 方法来关闭线程池，shutdown() 方法会等待已提交的任务执行完成后再关闭线程池，而 shutdownNow() 方法会尝试停止所有正在执行的任务，并返回等待执行的任务列表

• 等待任务完成：通过 awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) 方法可以等待线程池中的所有任务完成，或者在指定的超时时间后返回

ExecutorService 的实现类主要有 ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor(在本期后续内容，将会继续介绍 ThreadPoolExecutor 类)，这里先简单介绍一下这两个类：

• ThreadPoolExecutor类：一个灵活的线程池实现，允许自定义线程池的核心线程数、最大线程数、空闲线程存活时间、任务队列等参数
• ScheduledThreadPoolExecutor类： ThreadPoolExecutor 的一个子类，它支持在给定延迟后运行命令，或者定期地执行命令

通过 ExecutorService 接口，可以将任务提交给线程池，由线程池自动分配和执行任务，线程池管理线程的创建、复用与销毁，使得多线程任务执行更加的高效与可控!

3.2 工厂模式

3.2.1 含义

【工厂模式】指的是在创建对象的时候，不再直接使用 new，而是使用一些其它的方法，通常是静态方法，协助我们把对象创建出来

3.2.2 分类

在Java中，工厂模式主要分为三种类型：

• 简单工厂模式（Simple Factory Pattern），又称为静态工厂方法模式
• 工厂方法模式（Factory Method Pattern）
• 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

3.2.3 意义

Q：为什么需要工厂模式呢？
A：其实，工厂模式是用来填构造方法的"坑"（实属无奈之举），我们可以知道，如果一个类想要提供不同的构造对象的方式，就需要基于构造方法重载，但是构造方法具有局限性，我们回顾一下构造方法的名称，知道构造方法的名称必须与类名相同，这就会造成一个问题

比如以下这个场景：在平面上，构造一个点，有两种方式
1）通过横纵坐标构造一点，需要传入的参数：x，y
2）根据极坐标构造，需要传入的参数：r，α（其中 r 为点到原点的距离，α 为角度）

这样的方式可行吗？显然是不行的，因为这两个方法名完全相同，并不能构成重载！

于是引入了工厂模式，解决上述问题，构造一个工厂类，使用静态方法设置属性：

3.2.4 案例

在 Java 中，创建线程池也是如此，通过工厂模式构造线程池，代码如下：

public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) {//创建线程池ExecutorService pool =  Executors.newFixedThreadPool(10);//添加任务到线程池中去pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello hi");}});}
}

打印结果：

图解分析：

通过 ExecutorService newFixedThreadPool 中的源代码可以看到：

3.2.5 作用

工厂模式，是面向对象设计模式中的一种创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式，在工厂模式中，可以通过使用工厂类来创建对象，而不是直接在客户端中使用 new 关键字实例化对象，这样在创建对象的时候不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象，使对象的创建和使用分离开来，工厂模式主要解决了接口选择的问题，让类的实例化推迟到子类中进行，降低客户端代码与具体对象的耦合度，使代码更加灵活，维护性较强

3.3 常见创建线程池的方法

Executors 类中静态方法创建线程池的4种常见方式：

• newFixedThreadPool：创建固定线程数的线程池
• newCachedThreadPool：创建线程数目动态增长的线程池，即不会设定固定值，按需创建，用完后也不会销毁，留着以后备用
• newSingleThreadExecutor：创建只包含一个线程的线程池
• newScheduledThreadPool：类似与定时器Timer，只不过不是扫描线程执行，而是由线程池中的线程执行，设定延迟时间后执行命令，或者定期执行命令

Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装， ThreadPoolExecutor 类提供了更多的可选参数，可以进一步细化线程池行为的设定， ThreadPoolExecutor 类的参数很多，还是挺抽象的，因此，ThreadPoolExecutor 类使用起来太麻烦了~上述的这些工厂方法都是通过包装 ThreadPoolExecutor 类实现的，使用起来比较简单方便（谁不喜欢方便的东西捏!）

下面我们一起来看看 ThreadPoolExecutorl 类！

4. ThreadPoolExecutor 类

ThreadPoolExecutor 类，是 ExecutorService 接口的一个实现类，是原装的线程池类，上述的所有工厂方法都是对这个类进行进一步的封装

打开 Java 官方文档，查阅 ThreadPoolExecutor 类，可以详细看到 Java 官方文档对这个类的说明

4.1 构造方法

ThreadPoolExecutor 类提供很多灵活的线程池功能，它有如下构造方法：

可以看到 ThreadPoolExecutor 类的构造方法，参数有很多，最后一个构造方法的参数最多，参数包含前 3 个构造方法的参数，因此，这里以最后一个构造方法为例，深入认识这里面的参数

ThreadPoolExecutor {int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler 
}

参数解释如下：

• corePoolSize：核心线程数，线程池中始终保持存活的线程数，只有当线程池中的线程数量大于这个值时，非核心线程才会在空闲时间超过 keepAliveTime 后被销毁
• maximumPoolSize：最大线程数，线程池中允许的最大线程数量，当工作队列满了之后，线程池会创建新线程来处理任务，直到线程数量达到这个最大值
• keepAliveTime：非核心线程保持存活的时间
• unit：keepAliveTime 参数的时间单位，(比如毫秒，秒，分钟)
• workQueue：阻塞队列，用于保存等待执行任务，线程池里要管理很多任务，这些任务也是通过阻塞队列来组织的，程序员可以手动指定给线程池一个队列，此时程序猿就可以很方便可以控制或者获取队列中的信息，其中 submit()方法就是把任务放到该队列中
• threadFactory：工厂模式，创建线程的辅助类，用于创建新线程的工厂，可以通过线程工厂给自定义线程池中的线程设置名字、属性、优先级等
• handler：线程池的拒绝策略，如果线程池满了，继续往里面添加任务，如何进行拒绝

上述解释可能比较抽象，我们可以想象一个生活中实际的场景，帮助我们进行理解：

将线程池理解为一个公司，我们知道，公司有正式员工，也有实习生/临时工，线程池中的核心线程可以当作是正式员工，非核心线程可以当作是实习生，即corePoolSize = 正式员工的数量，maximumPoolSize = 正式员工 + 实习生的数量，在公司运转很忙的情况下，公司就会多招几个实习生帮忙干活，就类似于线程池多创建几个非核心线程来帮忙完成任务，等到公司不忙了，闲下来的时候，为节省成本与资源，公司又将实习生辞退，相对应线程池中就是非核心线程被销毁，正式员工是签订劳务合同的，不能随意辞退，即使核心线程处于空闲状态也不会被销毁，是始终存在的，而实习生没有签订劳务合同，只是实习合同，是随时可以辞退的，keepAliveTime 就规定实习生存活的时间，即非核心线程保持存活的时间

下面介绍 4 种拒绝策略，重点来啦！

4.2 四种拒绝策略

结合生活中的一个实例综合理解，比如你正值课多的时候，忙得焦头烂额，这个时候有个同学找你帮忙一起去个地方完成某个任务

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：直接抛异常，如果线程池满了，还要继续添加任务，添加操作直接抛出异常（一听到这个消息，直接绷不住了，课也不上了，直接一整个心烦意乱）

• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：添加的线程自己负责执行这个任务（直接怼回去，要去你去，我才不去呢，你自己负责）

• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，即丢弃阻塞队列的首元素，不执行了，直接删除（看了一下课表，决定把最早的一节课逃掉去完成这个任务）

• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丢弃最新的任务，还是做原来的任务（还是继续上自己的课，这个去完成的任务直接丢弃）

【注意】

1. 这几个拒绝策略使用哪个，结合具体场景来确定!!!
2. 线程池没有依赖阻塞行为，而是通过额外实现了其它逻辑更好地处理这个场景的操作，阻塞有的时候可行，有的时候不可行，线程池中不希望依赖"满了阻塞"，其实主要是利用"空了阻塞"(这就好比，你到底去不去完成这个任务，需要给你的同学一个立即的答复，如果阻塞等待的话，你干不了什么事情，这个同学也干不了啥，只能干等着)

5. 手动实现线程池

5.1 完整代码

下述代码实现一个固定线程数量的线程池，代码如下：

import java.util.concurrent.BlockingDeque;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;class MyThreadPool {//定义一个阻塞队列private BlockingDeque<Runnable> queue = new LinkedBlockingDeque<>();public void submit(Runnable runnable) throws InterruptedException { //像生产任务一样，将任务提交到队列中去queue.put(runnable);}//此处实现一个固定线程数的线程池public MyThreadPool(int n) {for(int i = 0; i < n; i++) {Thread t = new Thread(() -> {try {while(true) {Runnable runnable = queue.take();runnable.run();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});//!!!不要忘记启动线程，上述只是创建线程了 需要启动线程~t.start();}}
}
public class ThreadDemo22 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);for(int i = 0; i <= 1000; i++) {//lambda表达式变量捕获规则int number = i;pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello" + number);}});}}
}

运行结果如下：

5.2 实现过程

1. 手动实现线程池，核心的数据结构是 BlockingQueue，用于存放各个可执行的任务
2. submit()方法，是提交任务，将任务添加到队列中
3. 实现一个固定线程数的线程池，MyThreadPool(int n)，其中 n 为固定线程数量，在线程池构造方面里面，通过 for 循环，创建 n 个 工作线程，n 个线程并发执行，每个线程的任务是从队列中获取的，并进行执行，即在 while(true) 循环中，既有取队列操作，又有执行的操作；将 while(true) 中，循环条件设置为 true，是不让线程在执行完任务后终止，保持工作线程活跃的状态，如果去掉 true，可以看到，只会执行 n 次，因为在执行完后线程终止了不再执行，线程池数量不够任务数量，就无法处理后续任务
4. 在主线程中，创建线程池，并通过 for 循环 与 submit() 向阻塞队列提交 1000 个任务，工作线程从队列中获取任务并进行执行
5. 为什么要将 i 赋值 给 number，而不直接打印 i，这里涉及到 lambda 表达式的变量捕获规则（在介绍 Thread类中有具体介绍），lambda 表达式捕获的变量必须是 final 修饰或者是实际 final，实际 final 是不能被修改的，在这里因为 i 变量被修改了，创建一个新的变量保存 i，即可解决

5.3 如何给线程池设置合适线程数量

在实际开发中如何给线程池设置合适的线程数量呢？

我们要知道，线程不是越多越好，线程的本质上是要在 CPU 上调度的，一个线程池的线程数量设置为多少合适，这需要结合实际情况实际任务决定

1. CPU 密集型任务：主要做一些计算工作，要在 CPU上运行
2. IO 密集型任务：主要是等待 IO 操作，比如等待读写硬盘，读写网卡等，不怎么消耗 CPU 资源

极端情况下，如果线程全是使用 CPU 运行，线程数就不应该超过 CPU 核心数（逻辑核心，比如一个电脑是6核12线程，即12个逻辑核心，以12为基准），如果线程全是使用的 IO，则线程数可以设置很多，远远超出 CPU 的核心数

在实际开发中，很少有这么极端的情况，需要具体通过测试的方式来确定，测试方式的大体思路是，运行程序，通过记录时间戳计算一下执行时间，同时监测资源的使用状态，线程数量取一个执行效率可以并且占用资源也还可以的数量

5.4 线程池的执行流程

1. 任务提交
   一个新的线程任务被提交到线程池时，线程池会首先尝试在线程池中分配一个空闲线程来执行这个任务
2. 队列处理
   线程池会检查工作队列是否已满，如果工作队列未满，则将新任务放入工作队列中等待，直到有空闲线程取出并执行；如果工作队列已满，且当前线程数已达到最大线程数时，如果再有新任务提交到线程池，则会触发拒绝策略
3. 线程调度
   根据当前线程池的状态（如空闲线程数、工作队列状态、存活线程数等）来决定如何处理新提交的任务，判断是否创建新线程或是复用空闲线程执行任务
4. 任务执行
   线程池中的工作线程从任务队列中获取任务并执行，每个线程在执行完任务后继续从任务队列获取下一个任务
5. 线程回收
   如果线程池中的线程在一定时间内（keepAliveTime）没有新的任务执行，且当前运行的线程数大于核心线程数，非核心线程会被回收，直到线程池中的线程数缩减到核心线程数，核心线程数始终不变
6. 线程池关闭
   当不再不需要线程时，应显示关闭线程池，释放相关资源(可以看到上述代码打印完成后，并没有结束程序!)

线程池的执行流程是一个动态调整的过程，通过线程池的管理，可以有效地管理和复用线程资源，提高系统的性能和稳定性！

💛💛💛本期内容回顾💛💛💛

✨✨✨本期内容到此结束啦~