Java 线程池

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前言

Java 中的线程池是一种线程管理机制，它可以在需要执行任务时重用线程，减少线程创建和销毁的开销，提高程序的性能。Java 提供了 java.util.concurrent 包来支持线程池的实现。

线程池的构造

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 是 Java 中用于创建和管理线程池的主要类。您可以使用它来自定义线程池的行为，如核心线程数、最大线程数、线程存活时间、工作队列等。

根据构造函数所传参数，线程池有以下行为：

任务数 < corePoolSize + workQueue.size，使用核心线程执行任务，其它任务在阻塞队列等待

corePoolSize + workQueue.size < 任务数 < maxPoolSize + workQueue.size，（任务数 - workQueue.size）个线程执行任务，其他任务在阻塞队列等待

任务数 > maxPoolSize + workQueue.size，触发拒绝策略

RejectedExecutionHandler

当 任务数 > maxPoolSize + workQueue.size 时触发拒绝策略，以下是关于 RejectedExecutionHandler 接口常用实现类的展示：

类名	描述
`AbortPolicy`	默认的拒绝策略，直接抛出 `RejectedExecutionException` 异常。
`CallerRunsPolicy`	在调用者线程中直接执行被拒绝的任务。
`DiscardPolicy`	直接丢弃被拒绝的任务，不做任何处理。
`DiscardOldestPolicy`	丢弃队列中等待时间最长的任务，然后尝试重新提交当前任务。
`Custom 实现`	您可以实现自定义的 `RejectedExecutionHandler` 接口来定义自己的拒绝策略。

这些拒绝策略可以根据您的需求来选择，以便更好地处理线程池中被拒绝的任务。

BlockingQueue

以下是关于常用的阻塞队列类型及其特性的展示：

类名	描述
`ArrayBlockingQueue`	基于数组的有界阻塞队列，按照先进先出的顺序存储元素。需要指定容量大小。
`LinkedBlockingQueue`	基于链表的有界或无界阻塞队列，按照先进先出的顺序存储元素。如果不指定容量，则为无界。
`PriorityBlockingQueue`	无界阻塞队列，根据元素的自然顺序或者通过构造函数提供的 `Comparator` 进行优先级排序。
`DelayQueue`	无界阻塞队列，用于存放实现了 `Delayed` 接口的元素，元素只有在延迟期满时才能被取出。
`SynchronousQueue`	不存储元素的阻塞队列，生产者必须等待消费者取走元素，反之亦然。
`LinkedTransferQueue`	无界阻塞队列，支持生产者等待消费者接收元素。
`LinkedBlockingDeque`	双端阻塞队列，可以在两端插入和移除元素。

这些阻塞队列提供了不同的特性和适用场景，您可以根据需求选择最适合的阻塞队列类型。

线程池使用

线程池创建

通过 ThreadPoolExecutor 构造函数来创建（推荐的方式）

通过 Executor 框架的工具类 Executors 来创建

以下是 Executors 类创建线程池的常用方法的展示：

方法	描述	注意
`newFixedThreadPool(int nThreads)`	创建固定大小的线程池，包含固定数量的线程。	使用的是无界的 `LinkedBlockingQueue`，任务队列最大长度为 `Integer.MAX_VALUE`,可能堆积大量的请求，从而导致 OOM。
`newSingleThreadExecutor()`	创建单线程的线程池，保证任务按顺序执行。	使用的是无界的 `LinkedBlockingQueue`，任务队列最大长度为 `Integer.MAX_VALUE`,可能堆积大量的请求，从而导致 OOM。
`newCachedThreadPool()`	创建可根据需要创建新线程的线程池。	使用的是同步队列 `SynchronousQueue`, 允许创建的线程数量为 `Integer.MAX_VALUE` ，如果任务数量过多且执行速度较慢，可能会创建大量的线程，从而导致 OOM。
`newScheduledThreadPool(int corePoolSize)`	创建支持定时以及周期性任务执行的线程池。	使用的无界的延迟阻塞队列`DelayedWorkQueue`，任务队列最大长度为 `Integer.MAX_VALUE`,可能堆积大量的请求，从而导致 OOM。
`newWorkStealingPool()`	创建使用工作窃取算法的线程池。	ㅤ

线程池状态

在Java中，线程池有几种状态，主要包括以下几种：

RUNNING（运行状态）：线程池处于运行状态，可以接受新任务，并处理阻塞队列中的任务。

SHUTDOWN（关闭状态）：不再接受新任务，但会继续处理阻塞队列中的任务，直到队列为空。

STOP（停止状态）：不再接受新任务，不处理阻塞队列中的任务，会尝试中断正在执行的任务。

TERMINATED（终止状态）：线程池完全终止，不再处理任何任务。

这些状态可以通过线程池的方法来进行转换，

shutdown() 方法将线程池状态从 RUNNING 转换为 SHUTDOWN。

线程池的状态则立刻变成SHUTDOWN状态。此时，则不能再往线程池中添加任何任务，否则将会抛出RejectedExecutionException异常。但是，此时线程池不会立刻退出，直到添加到线程池中的任务都已经处理完成，才会退出。

shutdownNow() 方法将线程池状态从 RUNNING 转换为 STOP。

线程池的状态立刻变成 STOP 状态，并试图停止所有正在执行的线程，不再处理还在池队列中等待的任务，当然，它会返回那些未执行的任务。

它试图终止线程的方法是通过调用 Thread.interrupt() 方法来实现的，这种方法的作用有限，如果线程中没有 sleep 、wait、Condition、定时锁等应用, interrupt() 方法是无法中断当前线程的。所以，shutdownNow() 并不代表线程池立即就能退出，它可能必须要等待所有正在执行的任务都执行完成了才能退出。

awaitTermination() 方法用于等待线程池进入 TERMINATED 状态。

awaitTermination 阻塞，直到所有任务在关闭请求后完成执行，或者发生超时，或者当前线程被中断，以先发生者为准。如果线程池已经关闭，则直接返回 true；如果线程池未关闭，该方法会根据 Timeout + TimeUnit 的延时等待线程结束，并根据到期后的线程池状态返回 true 或者 false，该方法不会关闭线程池，只负责延时以及检测状态。

提交任务

任务提交可以通过 ThreadPoolExecutor 的 execute() 方法或 submit() 方法来实现。

execute()

execute() 方法用于提交不需要返回结果的任务，参数为 Runnable 对象。

submit()

submit() 方法用于提交需要返回结果的任务，参数可以是 Runnable 或 Callable 对象，返回一个 Future 对象，通过 Future 对象可以获取任务的执行结果或取消任务。

在提交任务后，线程池会根据配置的核心线程数、最大线程数等参数来执行任务。如果线程池中的线程数小于核心线程数，会创建新线程来执行任务；如果线程池中的线程数达到核心线程数，会将任务放入工作队列中等待执行；如果工作队列已满，会根据最大线程数来创建新线程执行任务；如果线程数达到最大线程数且工作队列已满，会根据拒绝策略来处理无法执行的任务。

异常处理

在 Java 中，线程池的异常处理通常涉及到两个方面：一是如何处理线程池中任务的异常，二是如何处理线程池本身可能出现的异常。下面分别介绍这两个方面的处理方法：

任务异常处理

默认情况下，线程池内所有任务执行都被 try catch 包裹。

使用Future对象获取任务执行结果并处理异常

通过 Future 对象的 get() 方法可以获取任务执行的结果，同时可以捕获任务执行过程中抛出的异常：

使用 UncaughtExceptionHandler 处理线程池中线程的未捕获异常

通过设置线程池的 UncaughtExceptionHandler，可以捕获线程池中线程抛出的未捕获异常：

线程池异常处理

使用 ThreadPoolExecutor 的 afterExecute() 方法处理任务执行过程中的异常

可以通过重写 ThreadPoolExecutor 的 afterExecute() 方法，在任务执行完成后处理任务执行过程中的异常：

使用RejectedExecutionHandler处理无法执行的任务

当线程池无法执行任务时，可以通过设置RejectedExecutionHandler来处理无法执行的任务：

通过以上方法，可以有效地处理线程池中任务的异常和线程池本身可能出现的异常，保证线程池的稳定运行。

为什么使用线程池

线程的开销主要有哪些，线程池使用池化对象的方式怎么在性能和内存之间寻求平衡的？

在Java中，线程调度的成本和线程创建的成本是需要考虑的重要因素，特别是在使用线程池等多线程编程时。下面分别介绍线程调度的成本和线程创建的成本：

线程调度的成本

《深入理解 Java 虚拟机》所述，Java 线程调度成本主要来自于用户态与核心态之间状态切换和 “响应中断、保护和恢复执行现场”成本。

线程调度是指操作系统在多个线程之间进行切换执行的过程。线程调度的成本主要包括以下几个方面：

上下文切换成本：当操作系统在多个线程之间进行切换时，需要保存和恢复线程的上下文信息，包括栈信息等。这个过程会带来一定的性能开销。

竞争和锁开销：多个线程之间可能会竞争共享资源，导致锁的获取和释放，以及相关的同步开销。

缓存失效：线程切换可能导致缓存失效，从而影响程序的性能。

线程创建的成本

线程创建是指在程序中动态创建线程的过程。线程创建的成本主要包括以下方面：

内存开销：每个线程都需要一定的内存空间来存储线程的上下文信息、栈空间等。

系统调用开销：线程的创建需要操作系统进行相应的系统调用，包括分配资源、初始化线程等。

初始化开销：线程的初始化过程可能包括一些额外的操作，比如初始化线程的状态、设置优先级等。

在实际编程中，需要权衡线程调度的成本和线程创建的成本，避免创建过多线程导致系统资源消耗过大，同时尽量减少线程间的频繁切换，以提高程序的性能和效率。使用线程池可以有效管理线程的创建和复用，减少线程创建的开销，同时可以控制并发度，避免过多线程导致的性能下降。

参考文档

https://javaguide.cn/java/concurrent/java-thread-pool-summary.html

《深入理解 JVM 虚拟机》

Featrue

异常处理的示例