一、什么是線程池？

核心思想： 線程池是一種基于“池化”思想來管理線程的工具。它預(yù)先創(chuàng)建好一定數(shù)量的線程，放入一個“池子”中，當(dāng)有任務(wù)需要執(zhí)行時，就從池子中取出一個空閑線程來執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行完畢后，線程并不被銷毀，而是返回池中等待執(zhí)行下一個任務(wù)。

為什么需要線程池？

在深入原理之前，我們先想想如果不使用線程池，我們?nèi)绾翁幚矶嗳蝿?wù)：

// 原始方式：為每個任務(wù)創(chuàng)建一個新線程
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    new Thread(() -> {
        // 執(zhí)行任務(wù)
        System.out.println("執(zhí)行任務(wù)：" + Thread.currentThread().getName());
    }).start();
}

這種方式存在幾個嚴(yán)重問題：

• 資源消耗大：創(chuàng)建和銷毀線程是非常消耗CPU和內(nèi)存的。當(dāng)任務(wù)數(shù)量非常多時，頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程會嚴(yán)重影響性能。
• 管理困難：無法控制線程的數(shù)量，如果并發(fā)任務(wù)過多，會創(chuàng)建大量線程，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載過高，甚至崩潰。
• 穩(wěn)定性差：缺乏統(tǒng)一的管理，線程之間的競爭和不可預(yù)知的行為會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

線程池的優(yōu)勢：

• 降低資源消耗：通過復(fù)用已創(chuàng)建的線程，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。
• 提高響應(yīng)速度：當(dāng)任務(wù)到達時，無需等待線程創(chuàng)建就能立即執(zhí)行。
• 提高線程的可管理性：線程是稀缺資源，線程池可以統(tǒng)一進行分配、調(diào)優(yōu)和監(jiān)控?？梢钥刂谱畲蟛l(fā)數(shù)，防止無限制創(chuàng)建線程。
• 提供更強大的功能：線程池提供了定時執(zhí)行、定期執(zhí)行、單線程、并發(fā)數(shù)控制等功能。

二、線程池的核心工作原理

要理解線程池的工作原理，我們需要深入到它的內(nèi)部組件和執(zhí)行流程。其核心模型可以用下圖清晰地展示：

下面我們來詳細(xì)拆解圖中的每一步。

核心組件

• 核心線程池 (corePoolSize)：線程池中常駐的“核心部隊”。即使它們處于空閑狀態(tài)，也不會被銷毀（除非設(shè)置了allowCoreThreadTimeOut為true）。
• 任務(wù)隊列 (workQueue)：一個阻塞隊列，用于存放待執(zhí)行的任務(wù)。當(dāng)核心線程都在忙時，新來的任務(wù)會被放在這個隊列里排隊等候。
• 最大線程池 (maximumPoolSize)：線程池允許創(chuàng)建的最大線程數(shù)量。這是線程池的“擴編上限”。
• 非核心線程：當(dāng)任務(wù)隊列滿了，并且當(dāng)前線程數(shù)小于最大線程數(shù)時，線程池會創(chuàng)建新的線程來處理任務(wù)。這些線程是“臨時工”，空閑一段時間后（由keepAliveTime決定）會被銷毀。
• 拒絕策略 (RejectedExecutionHandler)：當(dāng)任務(wù)隊列已滿，并且線程數(shù)已達到最大值時，線程池會采取一種策略來處理新提交的任務(wù)。

工作流程詳解（結(jié)合上圖）

• 提交任務(wù)
  • 當(dāng)一個新任務(wù)被提交到線程池時，線程池的處理決策流程開始。
• 判斷核心線程
  • 如果當(dāng)前運行的線程數(shù) 小于 corePoolSize（核心線程數(shù)），那么無論是否有空閑線程，線程池都會立即創(chuàng)建一個新的核心線程來執(zhí)行這個任務(wù)。
  • 如果核心線程數(shù)已滿，則進入下一步。
• 嘗試入隊
  • 線程池會嘗試將任務(wù)放入任務(wù)隊列 (workQueue) 進行排隊。
  • 如果任務(wù)隊列未滿，任務(wù)成功入隊，等待核心線程空閑下來后從隊列中取出執(zhí)行。
  • 如果任務(wù)隊列已滿，則進入下一步。
• 判斷最大線程
  • 如果任務(wù)隊列已滿，但當(dāng)前運行的線程數(shù) 小于 maximumPoolSize（最大線程數(shù)），線程池會創(chuàng)建一個新的非核心線程來立即執(zhí)行這個任務(wù)（注意，它執(zhí)行的是剛提交的這個新任務(wù)，而不是隊列里的舊任務(wù)）。
  • 如果當(dāng)前線程數(shù)已經(jīng)達到 maximumPoolSize，則進入下一步。
• 執(zhí)行拒絕策略
  • 當(dāng)線程池和隊列都已經(jīng)“滿負(fù)荷”工作時，新提交的任務(wù)將被拒絕，線程池會調(diào)用RejectedExecutionHandler來處理這個任務(wù)。

補充：線程回收

當(dāng)線程池中的線程數(shù)量超過了corePoolSize，并且這些“多余”的非核心線程空閑時間超過了keepAliveTime，它們就會被終止，直到線程數(shù)量恢復(fù)到corePoolSize的大小。

三、Java中的線程池實現(xiàn) (ThreadPoolExecutor)

在Java中，線程池的核心類是 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor。我們通常通過Executors工廠類來創(chuàng)建配置好的線程池，但更推薦直接使用ThreadPoolExecutor的構(gòu)造函數(shù)來精細(xì)控制參數(shù)。

核心構(gòu)造函數(shù)

public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize,         // 核心線程數(shù)
    int maximumPoolSize,      // 最大線程數(shù)
    long keepAliveTime,       // 非核心線程空閑存活時間
    TimeUnit unit,            // 存活時間單位
    BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 任務(wù)隊列
    ThreadFactory threadFactory,       // 線程工廠（用于創(chuàng)建線程）
    RejectedExecutionHandler handler   // 拒絕策略
)

常見的任務(wù)隊列 (workQueue)

• SynchronousQueue：一個不存儲元素的隊列。每個插入操作必須等待另一個線程的移除操作。這樣，提交的任務(wù)不會被排隊，而是直接創(chuàng)建新線程或執(zhí)行拒絕策略。Executors.newCachedThreadPool()使用它。
• LinkedBlockingQueue：一個基于鏈表的無界隊列（除非構(gòu)造時指定容量）。如果使用無界隊列，那么maximumPoolSize參數(shù)就失效了，因為隊列永遠不會滿，所以只會創(chuàng)建corePoolSize個線程。
• ArrayBlockingQueue：一個基于數(shù)組的有界隊列?？梢杂行У胤乐官Y源耗盡。

內(nèi)置的拒絕策略

• ThreadPoolExecutor.AbortPolicy（默認(rèn)）：直接拋出RejectedExecutionException異常。
• ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調(diào)用者所在線程（比如主線程）來執(zhí)行該任務(wù)。這提供了一種簡單的反饋控制機制，可以降低新任務(wù)的提交速度。
• ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：默默丟棄無法處理的任務(wù)，不拋異常。
• ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列中最舊的一個任務(wù)，然后嘗試重新提交當(dāng)前任務(wù)。

四、通過Executors工具類創(chuàng)建的常見線程池

• newFixedThreadPool (固定大小線程池)
  • corePoolSize = maximumPoolSize = n
  • workQueue = LinkedBlockingQueue（無界隊列）
  • 特點：線程數(shù)量固定。適用于為了滿足資源管理的需求，需要限制當(dāng)前線程數(shù)量的場景。注意：使用無界隊列，如果任務(wù)過多，可能導(dǎo)致內(nèi)存溢出(OOM)。
• newCachedThreadPool (可緩存線程池)
  • corePoolSize = 0
  • maximumPoolSize = Integer.MAX_VALUE（幾乎是無限的）
  • keepAliveTime = 60秒
  • workQueue = SynchronousQueue
  • 特點：線程數(shù)量幾乎無限制，空閑線程會被回收。適用于執(zhí)行很多短期異步任務(wù)的小程序，或負(fù)載較輕的服務(wù)器。注意：最大線程數(shù)非常大，可能創(chuàng)建大量線程，導(dǎo)致CPU和內(nèi)存耗盡。
• newSingleThreadExecutor (單線程線程池)
  • corePoolSize = maximumPoolSize = 1
  • workQueue = LinkedBlockingQueue（無界隊列）
  • 特點：只有一個線程工作。適用于需要保證任務(wù)順序執(zhí)行，并且在任意時間點不會有多個線程活動的場景。
  • newScheduledThreadPool (定時任務(wù)線程池)
  • 用于在給定的延遲后運行任務(wù)，或者定期執(zhí)行任務(wù)。

五、最佳實踐與總結(jié)

• 理解參數(shù)：根據(jù)任務(wù)的特性（CPU密集型、IO密集型）合理設(shè)置corePoolSize、maximumPoolSize和workQueue。
  • CPU密集型：線程數(shù) ≈ CPU核數(shù) + 1
  • IO密集型：線程數(shù)可以設(shè)置得多一些，如 2 * CPU核數(shù)
• 推薦手動創(chuàng)建：避免使用Executors的便捷方法，而是直接使用ThreadPoolExecutor構(gòu)造函數(shù)，這樣可以更明確線程池的運行規(guī)則，規(guī)避資源耗盡的風(fēng)險。
• 給線程池命名：通過自定義ThreadFactory，為線程設(shè)置有意義的名字，便于出錯時回溯。
• 合理選擇拒絕策略：根據(jù)業(yè)務(wù)重要性選擇合適的拒絕策略。

總結(jié)一下：線程池是一個“生產(chǎn)者-消費者”模型的優(yōu)雅實現(xiàn)。生產(chǎn)者提交任務(wù)(Runnable對象)，消費者(池中的線程)從任務(wù)隊列中獲取并執(zhí)行任務(wù)。通過預(yù)先創(chuàng)建和復(fù)用線程，以及對線程數(shù)量的管理，它極大地提升了多線程程序的性能、穩(wěn)定性和可管理性。理解其核心工作原理是編寫高效、健壯并發(fā)程序的關(guān)鍵。

到此這篇關(guān)于Java線程池核心工作原理解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)java線程池內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！