线程池的实现原理是什么

这篇文章给大家介绍线程池的实现原理是什么，内容非常详细，感兴趣的小伙伴们可以参考借鉴，希望对大家能有所帮助。

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为什么要用线程池

线程是不是越多好？

• 线程在Java中是一个对象， 更是操作系统的资源， 线程额创建和销毁都需要时间，如果 创建时间+销毁时间>执行任务时间 就很不合算

• Java对象占用堆内存，操作系统线程占用系统内存， 根据JVM规范，一个线程默认最大栈大小为1M， 这个栈空间是要从操作系统内存中分配的，线程过多会消耗很多的内存

• 操作系统频繁切换线程上下文会影响性能

线程池的推出就是为了控制线程数量

线程池原理 - 概念

• 线程池管理器：

  用于创建并管理线程池， 包括创建线程池， 销毁线程池， 添加新任务

• 工作线程：

  线程池中的线程， 在没有任务时处于等待状态， 可以循环的执行任务

• 任务接口：

  每个任务必须实现的接口，以供工作线程任务调度的执行， 它主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工作，任务的执行状态等

• 任务队列：

  用于存放没有处理的任务，提供一种缓冲

线程池API - 接口定义和实现类

线程池API - 方法定义

ExecutorService

cheduledExecutorService

线程池API - Executors工具类

可以自己实例化线程池， 也可以用Executors创建线程池，方法如下：

• newFixedThreadPool(int nThreads): 创建一个固定大小，任务队列无界的的线程池，核心线程数=最大线程数

• newCachedThreadPool(): 创建一个大小无界的缓冲线程池，它的任务队列是一个同步队列，任务加入加入到池中，如果池中有空闲线程， 则用空闲线程执行，如无则创建新线程执行，池中的空闲线程超过60秒， 将被销毁释放， 线程数随任务的多少变化，适用于耗时较小的异步任务， 池的核心线程数=0， 最大线程数=Integer.MAX_VALUE

• newSingleThreadExecutor(): 只有一个线程来执行无界任务队列的单一线程池，该线程池确保任务按加入的顺序一个一个的依次执行，当唯一的线程因任务异常中止时，将创建一个新的线程来继续执行后续的任务， 与newFixedThreadPool(1)的区别在于，单一线程池的池大小在newSingleThreadExecutor方法中硬编码，不能再改变

• newScheduledThreadPool(int corePoolSize): 能定时执行任务的线程池，该池的核心线程数由参数指定，最大线程数=Integer.MAX_VALUE

线程池原理 - 任务执行过程

1. 是否达到核心线程数量？

   没达到，创建一个工作线程来执行任务

2. 工作队列是否已满？

   没满，则将新提交的任务存储在任务队列中

3. 是否达到线程池最大数量？

   则创建一个新的线程来执行任务

4. 最后，执行拒绝策略来处理这个任务

代码示例：

package com.neteasy.demo;

import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;

/** 线程池的使用 */
public class Demo7 {

 /**
  * 测试：提交15个执行时间需要3秒的任务,看线程池的状况
  *
  * @param threadPoolExecutor
  * @throws Exception
  */
 private void testCommon(ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor) throws Exception {
   // 测试：提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
   for (int i = 0; i < 15; i++) {
     int n = i;
     threadPoolExecutor.submit(
         new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
             try {
               System.out.println("开始执行：" + n);
               Thread.sleep(3000L);
               System.out.println("执行结束：" + n);
             } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
             }
           }
         });
     System.out.println("任务提交成功：" + i);
   }
   // 查看线程数量，查看队列等待数量
   Thread.sleep(500L);
   System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
   System.out.println("当前线程池等待的数量为" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
   // 等待15秒，查看线程数量和队列数量（理论上，会被超出核心线程数量的线程自动销毁）
   Thread.sleep(15000L);
   System.out.println("当前线程池线程数量为：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
   System.out.println("当前线程池等待的数量为：" + threadPoolExecutor.getQueue().size());
 }

 /**
  * 1、线程池信息：核心线程数量5，最大数量10，无界队列，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest1() throws Exception {
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
       new ThreadPoolExecutor(5, 10, 5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque());
   testCommon(threadPoolExecutor);
   // 预计结果：线程池线程数量为：5,超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
 }

 /**
  * 2、 线程池信息：核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest2() throws Exception {
   // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
   // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
       new ThreadPoolExecutor(
           5,
           10,
           5,
           TimeUnit.SECONDS,
           new LinkedBlockingDeque(3),
           new RejectedExecutionHandler() {
             @Override
             public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
               System.err.println("有任务被拒绝执行了");
             }
           });
   testCommon(threadPoolExecutor);
   // 预计结果：
   // 1、 5个任务直接分配线程开始执行
   // 2、 3个任务进入等待队列
   // 3、 队列不够用，临时加开5个线程来执行任务(5秒没活干就销毁)
   // 4、 队列和线程池都满了，剩下2个任务，没资源了，被拒绝执行。
   // 5、 任务执行，5秒后，如果无任务可执行，销毁临时创建的5个线程
 }

 /**
  * 3、 线程池信息：核心线程数量5，最大数量5，无界队列，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest3() throws Exception {
   // 和Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)一样的
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
       new ThreadPoolExecutor(
           5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue());
   testCommon(threadPoolExecutor);
   // 预计结：线程池线程数量为：5，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
 }

 /**
  * 4、 线程池信息：核心线程数量0，最大数量Integer.MAX_VALUE，SynchronousQueue队列，超出核心线程数量的线程存活时间：60秒
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest4() throws Exception {

   /**
    * SynchronousQueue，实际上它不是一个真正的队列，因为它不会为队列中元素维护存储空间。与其他队列不同的是，它维护一组线程，这些线程在等待着把元素加入或移出队列。
    * 在使用SynchronousQueue作为工作队列的前提下，客户端代码向线程池提交任务时， 而线程池中又没有空闲的线程能够从SynchronousQueue队列实例中取一个任务，
    * 那么相应的offer方法调用就会失败（即任务没有被存入工作队列）。此时，ThreadPoolExecutor会新建一个新的工作者线程用于对这个入队列失败的任务进行处理
    * （假设此时线程池的大小还未达到其最大线程池大小maximumPoolSize）。
    */
   // 和Executors.newCachedThreadPool()一样的
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
       new ThreadPoolExecutor(
           0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue());
   testCommon(threadPoolExecutor);
   // 预计结果：
   // 1、 线程池线程数量为：15，超出数量的任务，其他的进入队列中等待被执行
   // 2、 所有任务执行结束，60秒后，如果无任务可执行，所有线程全部被销毁，池的大小恢复为0
   Thread.sleep(60000L);
   System.out.println("60秒后，再看线程池中的数量：" + threadPoolExecutor.getPoolSize());
 }

 /**
  * 5、 定时执行线程池信息：3秒后执行，一次性任务，到点就执行
  * 核心线程数量5，最大数量Integer.MAX_VALUE，DelayedWorkQueue延时队列，超出核心线程数量的线程存活时间：0秒
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest5() throws Exception {
   // 和Executors.newScheduledThreadPool()一样的
   ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
   threadPoolExecutor.schedule(
       new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
           System.out.println("任务被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
         }
       },
       3000,
       TimeUnit.MILLISECONDS);
   System.out.println(
       "定时任务，提交成功，时间是："
           + System.currentTimeMillis()
           + ", 当前线程池中线程数量："
           + threadPoolExecutor.getPoolSize());
   // 预计结果：任务在3秒后被执行一次
 }

 /**
  * 6、 定时执行线程池信息：线程固定数量5 ，

  * 核心线程数量5，最大数量Integer.MAX_VALUE，DelayedWorkQueue延时队列，超出核心线程数量的线程存活时间：0秒
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest6() throws Exception {
   ScheduledThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);
   /**
    * 周期性执行某一个任务，线程池提供了两种调度方式，这里单独演示一下。测试场景一样。测试场景：提交的任务需要3秒才能执行完毕。看两种不同调度方式的区别 效果1：
    * 提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，完毕后立刻执行)。
    * 也就是说这个代码中是，3秒钟执行一次（计算方式：每次执行三秒，间隔时间1秒，执行结束后马上开始下一次执行，无需等待）
    */
   threadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(
       new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
           try {
             Thread.sleep(3000L);
           } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
           }
           System.out.println("任务-1 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
         }
       },
       2000,
       1000,
       TimeUnit.MILLISECONDS);

   /**
    * 效果2：提交后，2秒后开始第一次执行，之后每间隔1秒，固定执行一次(如果发现上次执行还未完毕，则等待完毕，等上一次执行完毕后再开始计时，等待1秒)。
    * 也就是说这个代码钟的效果看到的是：4秒执行一次。（计算方式：每次执行3秒，间隔时间1秒，执行完以后再等待1秒，所以是 3+1）
    */
   threadPoolExecutor.scheduleWithFixedDelay(
       new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
           try {
             Thread.sleep(3000L);
           } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
           }
           System.out.println("任务-2 被执行，现在时间：" + System.currentTimeMillis());
         }
       },
       2000,
       1000,
       TimeUnit.MILLISECONDS);
 }

 private ThreadPoolExecutor testShutdownCommon() {
   // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3的线程池，也就是最大容纳13个任务。
   // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor =
       new ThreadPoolExecutor(
           5,
           10,
           5,
           TimeUnit.SECONDS,
           new LinkedBlockingQueue(3),
           new RejectedExecutionHandler() {
             @Override
             public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
               System.err.println("有任务被拒绝执行了");
             }
           });
   // 测试：提交15个执行时间需要3秒的任务，看超过大小的2个，对应的处理情况
   for (int i = 0; i < 15; i++) {
     int n = i;
     threadPoolExecutor.submit(
         new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
             try {
               System.out.println("开始执行：" + n);
               Thread.sleep(3000L);
               System.err.println("执行结束:" + n);
             } catch (InterruptedException e) {
               System.out.println("异常：" + e.getMessage());
             }
           }
         });
     System.out.println("任务提交成功 :" + i);
   }
   return threadPoolExecutor;
 }

 /**
  * 7、 终止线程：线程池信息：核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest7() throws Exception {
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = testShutdownCommon();
   // 1秒后终止线程池
   Thread.sleep(1000L);
   threadPoolExecutor.shutdown();
   // 再次提交提示失败
   threadPoolExecutor.submit(
       new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
           System.out.println("追加一个任务");
         }
       });
   // 结果分析
   // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
   // 2、调用shutdown后，不接收新的任务，等待13任务执行结束
   // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
 }

 /**
  * 8、 立刻终止线程：线程池信息：核心线程数量5，最大数量10，队列大小3，超出核心线程数量的线程存活时间：5秒， 指定拒绝策略的
  *
  * @throws Exception
  */
 private void threadPoolExecutorTest8() throws Exception {
   // 创建一个 核心线程数量为5，最大数量为10,等待队列最大是3 的线程池，也就是最大容纳13个任务。
   // 默认的策略是抛出RejectedExecutionException异常，java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy
   ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = testShutdownCommon();
   // 1秒后终止线程池
   Thread.sleep(1000L);
   List shutdownNow = threadPoolExecutor.shutdownNow();
   // 再次提交提示失败
   threadPoolExecutor.submit(
       new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
           System.out.println("追加一个任务");
         }
       });
   System.out.println("未结束的任务有：" + shutdownNow.size());

   // 结果分析
   // 1、 10个任务被执行，3个任务进入队列等待，2个任务被拒绝执行
   // 2、调用shutdownnow后，队列中的3个线程不再执行，10个线程被终止
   // 3、 追加的任务在线程池关闭后，无法再提交，会被拒绝执行
 }

 public static void main(String[] args) throws Exception {
   Demo7 demo7 = new Demo7();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest1();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest2();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest3();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest4();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest5();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest6();
   //    demo7.threadPoolExecutorTest7();
   demo7.threadPoolExecutorTest8();
 }
}

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