線程池是多線程編程中的核心概念，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一組可以執(zhí)行任務(wù)的空閑線程。

　　首先，我們了解一下多線程框架模型，明白為什么需要線程池。

　　線程是在一個(gè)進(jìn)程中可以執(zhí)行一系列指令的執(zhí)行環(huán)境，或稱運(yùn)行程序。多線程編程指的是用多個(gè)線程并行執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。當(dāng)然，JVM對(duì)多線程有良好的支持。

　　盡管這帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，首當(dāng)其沖的就是程序性能提高，但多線程編程也有缺點(diǎn)——增加了代碼復(fù)雜度、同步問(wèn)題、非預(yù)期結(jié)果和增加創(chuàng)建線程的開(kāi)銷。

　　在這篇文章中，我們來(lái)了解一下如何使用Java線程池來(lái)緩解這些問(wèn)題。

　　為什么使用線程池？

　　創(chuàng)建并開(kāi)啟一個(gè)線程開(kāi)銷很大。如果我們每次需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)重復(fù)這個(gè)步驟，那將會(huì)是一筆巨大的性能開(kāi)銷，這也是我們希望通過(guò)多線程解決的問(wèn)題。

　　為了更好理解創(chuàng)建和開(kāi)啟一個(gè)線程的開(kāi)銷，讓我們來(lái)看一看JVM在后臺(tái)做了哪些事：

　　為線程棧分配內(nèi)存，保存每個(gè)線程方法調(diào)用的棧幀。

　　每個(gè)棧幀包括本地變量數(shù)組、返回值、操作棧和常量池

　　一些JVM支持本地方法，也將分配本地方法棧

　　每個(gè)線程獲得一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，標(biāo)識(shí)處理器正在執(zhí)行哪條指令

　　系統(tǒng)創(chuàng)建本地線程，與Java線程對(duì)應(yīng)

　　和線程相關(guān)的描述符被添加到JVM內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　線程共享堆和方法區(qū)

　　當(dāng)然，這些步驟的具體細(xì)節(jié)取決于JVM和操作系統(tǒng)。

　　另外，更多的線程意味著更多工作量，系統(tǒng)需要調(diào)度和決定哪個(gè)線程接下來(lái)可以訪問(wèn)資源。

　　線程池通過(guò)減少需要的線程數(shù)量并管理線程生命周期，來(lái)幫助我們緩解性能問(wèn)題。

　　本質(zhì)上，線程在我們使用前一直保存在線程池中，在執(zhí)行完任務(wù)之后，線程會(huì)返回線程池等待下次使用。這種機(jī)制在執(zhí)行很多小任務(wù)的系統(tǒng)中十分有用。

　　Java線程池

　　Java通過(guò)executor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的線程池模型。可以使用executor接口或其他線程池的實(shí)現(xiàn)，它們都允許細(xì)粒度的控制。

　　java.util.concurrent包中有以下接口：

　　Executor——執(zhí)行任務(wù)的簡(jiǎn)單接口

　　ExecutorService——一個(gè)較復(fù)雜的接口，包含額外方法來(lái)管理任務(wù)和executor本身

　　ScheduledExecutorService——擴(kuò)展自ExecutorService，增加了執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度方法

　　除了這些接口，這個(gè)包中也提供了Executors類直接獲取實(shí)現(xiàn)了這些接口的executor實(shí)例

　　一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)Java線程池包含以下部分：

　　工作線程的池子，負(fù)責(zé)管理線程

　　線程工廠，負(fù)責(zé)創(chuàng)建新線程

　　等待執(zhí)行的任務(wù)隊(duì)列

　　在下面的章節(jié)，讓我們仔細(xì)看一看Java類和接口如何為線程池提供支持。

　　Executors類和Executor接口

　　Executors類包含工廠方法創(chuàng)建不同類型的線程池，Executor是個(gè)簡(jiǎn)單的線程池接口，只有一個(gè)execute()方法。

　　我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)結(jié)合使用這兩個(gè)類(接口)，首先創(chuàng)建一個(gè)單線程的線程池，然后用它執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句：

　　Executorexecutor=Executors.newSingleThreadExecutor();

　　executor.execute(()->System.out.println("Singlethreadpooltest"));

　　注意語(yǔ)句寫(xiě)成了lambda表達(dá)式，會(huì)被自動(dòng)推斷成Runnable類型。

　　如果有工作線程可用，execute()方法將執(zhí)行語(yǔ)句，否則就把Runnable任務(wù)放進(jìn)隊(duì)列，等待線程可用。

　　基本上，executor代替了顯式創(chuàng)建和管理線程。

　　Executors類里的工廠方法可以創(chuàng)建很多類型的線程池：

　　newSingleThreadExecutor()：包含單個(gè)線程和無(wú)界隊(duì)列的線程池，同一時(shí)間只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)

　　newFixedThreadPool()：包含固定數(shù)量線程并共享無(wú)界隊(duì)列的線程池；當(dāng)所有線程處于工作狀態(tài)，有新任務(wù)提交時(shí)，任務(wù)在隊(duì)列中等待，直到一個(gè)線程變?yōu)榭捎脿顟B(tài)

　　newCachedThreadPool()：只有需要時(shí)創(chuàng)建新線程的線程池

　　newWorkStealingThreadPool()：基于工作竊取（work-stealing）算法的線程池，后面章節(jié)詳細(xì)說(shuō)明

　　接下來(lái)，讓我們看一下ExecutorService接口提供了哪些新功能

　　ExecutorService

　　創(chuàng)建ExecutorService方式之一便是通過(guò)Excutors類的工廠方法。

　　ExecutorServiceexecutor=Executors.newFixedThreadPool(10);

　　Besidestheexecute()method,thisinterfacealsodefinesasimilarsubmit()methodthatcanreturnaFutureobject:

　　除了execute()方法，接口也定義了相似的submit()方法，這個(gè)方法可以返回一個(gè)Future對(duì)象。

　　Callable<Double>callableTask=()->{

　　returnemployeeService.calculateBonus(employee);

　　};

　　Future<Double>future=executor.submit(callableTask);

　　//executeotheroperations

　　try{

　　if(future.isDone()){

　　doubleresult=future.get();

　　}

　　}catch(InterruptedException|ExecutionExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　從上面的例子可以看到，F(xiàn)uture接口可以返回Callable類型任務(wù)的結(jié)果，而且能顯示任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。

　　當(dāng)沒(méi)有任務(wù)等待執(zhí)行時(shí)，ExecutorService并不會(huì)自動(dòng)銷毀，所以你可以使用shutdown()或shutdownNow()來(lái)顯式關(guān)閉它。

　　executor.shutdown();

　　ScheduledExecutorService

　　這是ExecutorService的一個(gè)子接口，增加了調(diào)度任務(wù)的方法。

　　ScheduledExecutorServiceexecutor=Executors.newScheduledThreadPool(10);

　　schedule()方法的參數(shù)指定執(zhí)行的方法、延時(shí)和TimeUnit

　　Future<Double>future=executor.schedule(callableTask,2,TimeUnit.MILLISECONDS);

　　另外，這個(gè)接口定義了其他兩個(gè)方法：

　　executor.scheduleAtFixedRate(

　　()->System.out.println("FixedRateScheduled"),2,2000,TimeUnit.MILLISECONDS);

　　executor.scheduleWithFixedDelay(

　　()->System.out.println("FixedDelayScheduled"),2,2000,TimeUnit.MILLISECONDS);

　　scheduleAtFixedRate()方法延時(shí)2毫秒執(zhí)行任務(wù)，然后每2秒重復(fù)一次。相似的，scheduleWithFixedDelay()方法延時(shí)2毫秒后執(zhí)行第一次，然后在上一次執(zhí)行完成2秒后再次重復(fù)執(zhí)行。

　　在下面的章節(jié)，我們來(lái)看一下ExecutorService接口的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)：ThreadPoolExecutor和ForkJoinPool。

　　ThreadPoolExecutor

　　這個(gè)線程池的實(shí)現(xiàn)增加了配置參數(shù)的能力。創(chuàng)建ThreadPoolExecutor對(duì)象最方便的方式就是通過(guò)Executors工廠方法：

　　ThreadPoolExecutorexecutor=(ThreadPoolExecutor)Executors.newFixedThreadPool(10);

　　這種情況下，線程池按照默認(rèn)值預(yù)配置了參數(shù)。線程數(shù)量由以下參數(shù)控制：

　　corePoolSize和maximumPoolSize：表示線程數(shù)量的范圍

　　keepAliveTime：決定了額外線程存活時(shí)間

　　我們深入了解一下這些參數(shù)如何使用。

　　當(dāng)一個(gè)任務(wù)被提交時(shí)，如果執(zhí)行中的線程數(shù)量小于corePoolSize，一個(gè)新的線程被創(chuàng)建。如果運(yùn)行的線程數(shù)量大于corePoolSize，但小于maximumPoolSize，并且任務(wù)隊(duì)列已滿時(shí)，依然會(huì)創(chuàng)建新的線程。如果多于corePoolSize的線程空閑時(shí)間超過(guò)keepAliveTime，它們會(huì)被終止。

　　上面那個(gè)例子中，newFixedThreadPool()方法創(chuàng)建的線程池，corePoolSize=maximumPoolSize=10并且keepAliveTime為0秒。

　　如果你使用newCachedThreadPool()方法，創(chuàng)建的線程池maximumPoolSize為Integer.MAX_VALUE，并且keepAliveTime為60秒。

　　ThreadPoolExecutorcachedPoolExecutor

　　=(ThreadPoolExecutor)Executors.newCachedThreadPool();

　　Theparameterscanalsobesetthroughaconstructororthroughsettermethods:

　　這些參數(shù)也可以通過(guò)構(gòu)造函數(shù)或setter方法設(shè)置：

　　ThreadPoolExecutorexecutor=newThreadPoolExecutor(

　　4,6,60,TimeUnit.SECONDS,newLinkedBlockingQueue<Runnable>()

　　);

　　executor.setMaximumPoolSize(8);

　　ThreadPoolExecutor的一個(gè)子類便是ScheduledThreadPoolExecutor，它實(shí)現(xiàn)了ScheduledExecutorService接口。你可以通過(guò)newScheduledThreadPool()工廠方法來(lái)創(chuàng)建這種類型的線程池。

　　ScheduledThreadPoolExecutorexecutor

　　=(ScheduledThreadPoolExecutor)Executors.newScheduledThreadPool(5);

　　上面語(yǔ)句創(chuàng)建了一個(gè)線程池，corePoolSize為5，maximumPoolSize無(wú)限制，keepAliveTime為0秒。

　　ForkJoinPool

　　另一個(gè)線程池的實(shí)現(xiàn)是ForkJoinPool類。它實(shí)現(xiàn)了ExecutorService接口，并且是Java7中fork/join框架的重要組件。

　　fork/join框架基于“工作竊取算法”。簡(jiǎn)而言之，意思就是執(zhí)行完任務(wù)的線程可以從其他運(yùn)行中的線程“竊取”工作。

　　ForkJoinPool適用于任務(wù)創(chuàng)建子任務(wù)的情況，或者外部客戶端創(chuàng)建大量小任務(wù)到線程池。

　　這種線程池的工作流程如下：

　　創(chuàng)建ForkJoinTask子類

　　根據(jù)某種條件將任務(wù)切分成子任務(wù)

　　調(diào)用執(zhí)行任務(wù)

　　將任務(wù)結(jié)果合并

　　實(shí)例化對(duì)象并添加到池中

　　創(chuàng)建一個(gè)ForkJoinTask，你可以選擇RecursiveAction或RecursiveTask這兩個(gè)子類，后者有返回值。

　　我們來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)繼承RecursiveTask的類，計(jì)算階乘，并把任務(wù)根據(jù)閾值劃分成子任務(wù)。

　　這個(gè)類需要實(shí)現(xiàn)的主要方法就是重寫(xiě)compute()方法，用于合并每個(gè)子任務(wù)的結(jié)果。

　　具體劃分任務(wù)邏輯在createSubtasks()方法中：

　　最后，calculate()方法包含一定范圍內(nèi)的乘數(shù)。

　　接下來(lái)，任務(wù)可以添加到線程池：

　　ForkJoinPoolpool=ForkJoinPool.commonPool();

　　BigIntegerresult=pool.invoke(newFactorialTask(100));

　　ThreadPoolExecutor與ForkJoinPool對(duì)比

　　初看上去，似乎fork/join框架帶來(lái)性能提升。但是這取決于你所解決問(wèn)題的類型。

　　當(dāng)選擇線程池時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是牢記創(chuàng)建、管理線程以及線程間切換執(zhí)行會(huì)帶來(lái)的開(kāi)銷。

　　ThreadPoolExecutor可以控制線程數(shù)量和每個(gè)線程執(zhí)行的任務(wù)。這很適合你需要在不同的線程上執(zhí)行少量巨大的任務(wù)。

　　相比較而言，F(xiàn)orkJoinPool基于線程從其他線程“竊取”任務(wù)。正因如此，當(dāng)任務(wù)可以分割成小任務(wù)時(shí)可以提高效率。

　　為了實(shí)現(xiàn)工作竊取算法，fork/join框架使用兩種隊(duì)列：

　　包含所有任務(wù)的主要隊(duì)列

　　每個(gè)線程的任務(wù)隊(duì)列

　　當(dāng)線程執(zhí)行完自己任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)，它們?cè)噲D從其他隊(duì)列獲取任務(wù)。為了使這一過(guò)程更加高效，線程任務(wù)隊(duì)列使用雙端隊(duì)列（doubleendedqueue）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一端與線程交互，另一端用于“竊取”任務(wù)。

　　來(lái)自TheHDeveloper的圖很好的表現(xiàn)出了這一過(guò)程：

　　和這種模型相比，ThreadPoolExecutor只使用一個(gè)主要隊(duì)列。

　　最后要注意的一點(diǎn)ForkJoinPool只適用于任務(wù)可以創(chuàng)建子任務(wù)。否則它和ThreadPoolExecutor沒(méi)區(qū)別，甚至開(kāi)銷更大。

　　跟蹤線程池的執(zhí)行

　　現(xiàn)在我們對(duì)Java線程池生態(tài)系統(tǒng)有了基本的了解，讓我們通過(guò)一個(gè)使用了線程池的應(yīng)用，來(lái)看一看執(zhí)行中到底發(fā)生了什么。

　　通過(guò)在FactorialTask的構(gòu)造函數(shù)和calculate()方法中加入日志語(yǔ)句，你可以看到下面調(diào)用序列：

　　你可以看到創(chuàng)建了很多任務(wù)，但只有3個(gè)工作線程——所以任務(wù)通過(guò)線程池被可用線程處理。

　　也可以看到在放到執(zhí)行池之前，主線程中對(duì)象如何被創(chuàng)建。

　　使用Prefix這一類可視化的日志工具是一個(gè)很棒的方式來(lái)探索和理解運(yùn)行時(shí)的線程池。

　　記錄線程池日志的核心便是保證在日志信息中方便辨識(shí)線程名字。Log4J2通過(guò)使用布局能夠很好完成這種工作。

　　使用線程池的潛在風(fēng)險(xiǎn)

　　盡管線程池有巨大優(yōu)勢(shì)，你在使用中仍會(huì)遇到一些問(wèn)題，比如：

　　用的線程池過(guò)大或過(guò)小：如果線程池包含太多線程，會(huì)明顯的影響應(yīng)用的性能；另一方面，線程池太小并不能帶來(lái)所期待的性能提升。

　　正如其他多線程情形一樣，死鎖也會(huì)發(fā)生。舉個(gè)例子，一個(gè)任務(wù)可能等待另一個(gè)任務(wù)完成，而后者并沒(méi)有可用線程處理執(zhí)行。所以說(shuō)避免任務(wù)之間的依賴是個(gè)好習(xí)慣。

　　等待執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)的任務(wù)：為了避免長(zhǎng)時(shí)間阻塞線程，你可以指定最大等待時(shí)間，并決定過(guò)期任務(wù)是拒絕處理還是重新加入隊(duì)列。

　　為了降低風(fēng)險(xiǎn)，你必須根據(jù)要處理的任務(wù)，來(lái)謹(jǐn)慎選擇線程池的類型和參數(shù)。對(duì)你的系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試也是值得的，它可以幫你獲取真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)。

　　結(jié)論

　　線程池有很大優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是可以將任務(wù)的執(zhí)行從線程的創(chuàng)建和管理中分離。另外，如果使用得當(dāng)，它們可以極大提高應(yīng)用的性能。

　　如果你學(xué)會(huì)充分利用線程池，Java生態(tài)系統(tǒng)好處便是其中有很多成熟穩(wěn)定的線程池實(shí)現(xiàn)。

　　以上就是動(dòng)力節(jié)點(diǎn)java培訓(xùn)機(jī)構(gòu)小編介紹的“深入學(xué)習(xí)Java線程池：Java線程池學(xué)習(xí)教程”的內(nèi)容，希望對(duì)大家有幫助，更多java最新資訊請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注動(dòng)力節(jié)點(diǎn)java培訓(xùn)機(jī)構(gòu)官網(wǎng)，每天會(huì)有精彩內(nèi)容分享與你。