Java并发编程深入学习之线程池超详细笔记

墨蓝 2023-09-29 13:43 13阅读 0赞

**目录**

七、共享模型之工具--线程池

1.线程池介绍

2.ThreadPoolExecutor(重点)

①线程池状态

②构造方法（必须掌握）

③JDK提供的线程工厂方法

newFixedThreadPool

newCachedThreadPool

newSingleThreadExecutor

使用第三方的线程工厂

④线程池提交任务

submit案例：

invokeAll案例：

invokeAny案例：

⑤关闭线程池

shutdown

shutdownNow

其他方法（了解）

3.模式之工作线程（了解）

前言和案例介绍

创建多少线程池合适

自定义线程池（重点掌握）

4.任务调度线程池

延时执行任务

定时执行任务

正确处理抛出的异常

5.Fork/Join（先了解概念）

使用Fork/Join

--------------------

## 七、共享模型之工具--线程池 ##

本章主要学习线程池的使用，以及自定义线程池，以及线程池的源码的一些分析；

### 1.线程池介绍 ###

线程是一种稀有的资源，每次创建线程都会消耗系统的资源，如果是高并发的情况下，一下子来了很多任务，如果为每一个任务都创建线程池，那就会消耗大量的内存，甚至会出现OOM的情况；而且因为机器的CPU数量有限，一旦线程的数量远远多于cpu的数量，那么就必然会出现线程由于得不到cpu时间片的使用权而进入阻塞，那么就必然会导致系统上下文的切换，频繁的切换系统的上下文就会影响系统的性能；

线程池里面也体现了享元模式的影子；

使用线程池的好处：

*  降低资源消耗。通过**重复利用已创建的线程**降低线程创建和销毁造成的消耗。
 *  提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
 *  提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，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的分配，调优和监控；

### 2.ThreadPoolExecutor(重点) ###

![a4d1773397f3457da09119ac67b5f7bb.png][]

#### ①线程池状态 ####

ThreadPoolExecutor 使用 int 的高 3 位来表示线程池状态，低 29 位表示线程数量

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态名</th> 
   <th>高3位</th> 
   <th>接收新任务</th> 
   <th>处理阻塞队列任务</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>RUNNING</td> 
   <td>111</td> 
   <td>Y</td> 
   <td>Y</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SHUTDOWN</td> 
   <td>000</td> 
   <td>N</td> 
   <td>Y</td> 
   <td>调用了shutDwonf方法，不会接收新任务，但会处理阻塞队列剩余任务，一种比较温和的停止线程运行的方式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>STOP</td> 
   <td>001</td> 
   <td>N</td> 
   <td>N</td> 
   <td>会中断正在执行的任务，并抛弃阻塞队列任务，暴力的终止线程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TIDYING</td> 
   <td>010</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td>任务全执行完毕，活动线程为 0 即将进入 终结</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TERMINATED</td> 
   <td>011</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td>终结状态</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从数字上比较，TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING （最高位的第一位是符号位）

这些信息存储在一个原子变量 ctl 中，目的是将线程池状态与线程个数合二为一，**这样就可以用一次 cas 原子操作 进行赋值**；

// c 为旧值， ctlOf 返回结果为新值
    ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))));
    // rs 为高 3 位代表线程池状态， wc 为低 29 位代表线程个数，ctl 是合并它们
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

#### ②构造方法（必须掌握） ####

首先我们看一下 ThreadPoolExecutor 类参数最多、最全的有参构造方法。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

*  corePoolSize 核心线程数目 (最多保留的线程数，会被保留在线程池，没有存活时间这种说法)
 *  maximumPoolSize 最大线程数目 (maximumPoolSize - corePoolSize = 救急线程数)
 *  keepAliveTime 生存时间 - 针对救急线程
 *  unit 时间单位 - 针对救急线程
 *  workQueue 阻塞队列
 *  threadFactory 线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字
 *  handler 拒绝策略

工作方式：

graph LR
    
    subgraph //阻塞队列
    size=2
    t3(任务3)
    t4(任务4)
    end
    
    subgraph //线程池c=2(核心线程数),m=3(最大线程数)
    ct1//(核心线程1)
    ct2//(核心线程2)
    mt1//(救急线程1)(当阻塞线程的数量刚好等于阻塞队列的大小的时候，这个时候如果再来一个任务，那么JDK会优先创建救急线程，这个任务会交给救急线程来执行，当救急线程执行完毕后，那么当救急线程存活的时间大于设置的生存的时间，，那么救急线程就会被销毁)
    ct1 --> t1(任务1)
    ct2 --> t2(任务2)
    end
    t1(任务1)

工作步骤：

根据这个构造方法，JDK Executors 类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池。

*  线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务。
 *  当线程数达到 corePoolSize 并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue 队列排 队，直到有空闲的线程。
 *  **如果队列选择了有界队列，那么任务超过了队列大小时，会创建 maximumPoolSize - corePoolSize 数目的线程来救急。** （救急线程存在的前提条件是在有界队列中）
 *  如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现，其它 著名框架也提供了实现
 *  ![c7a37a0af06141cd930e34dee123b6c7.png][]
 *   *  AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常，这是**默认策略**
     *  CallerRunsPolicy 让调用者运行任务
     *  DiscardPolicy 放弃本次任务
     *  DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之
     *  Dubbo 的实现，在抛出 RejectedExecutionException 异常之前会记录日志，并 dump 线程栈信息，方 便定位问题
     *  Netty 的实现，是创建一个新线程来执行任务
     *  ActiveMQ 的实现，带超时等待（60s）尝试放入队列
     *  PinPoint 的实现，它使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中每种拒绝策略
 *  当高峰过去后，超过corePoolSize 的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由 keepAliveTime 和 unit 来控制。

#### ③JDK提供的线程工厂方法 ####

#### **newFixedThreadPool** ####

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

案例演示：

// 创建大小为 2 的固定线程池, 自定义线程名称(需要实现一些工厂类)
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2, new ThreadFactory() {
                //创建原子类，用来计数用
                private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
                //自定义线程名字，在这个重写的方法中最后返回线程就行
                @Override
                public Thread newThread(Runnable r) {
                    //这个线程的两个参数  一个是runnable参数，一个是线程name
                    return new Thread(r, "my_thread_" + atomicInteger.getAndIncrement());
                }
            });
            // 开 3 个线程, 线程池大小为 2 , 第三个线程执行时, 如果前两个线程任务没执行完, 会加入任务队列.
            executorService.execute(() -> {
                log.info("1");
            });
            executorService.execute(() -> {
                log.info("2");
            });
            executorService.execute(() -> {
                log.info("3");
            });
    //自己查看运行的结果

特点

*  核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需超时时间
 *  阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务

> **评价** 适用于任务量已知，相对耗时的任务

#### newCachedThreadPool ####

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

案例：

SynchronousQueue<Integer> integers = new SynchronousQueue<>();
    new Thread(() -> {
        try {
            log.debug("putting {} ", 1);
            integers.put(1);
            log.debug("{} putted...", 1);
            log.debug("putting...{} ", 2);
            integers.put(2);
            log.debug("{} putted...", 2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t1").start();
    sleep(1);
    new Thread(() -> {
        try {
            log.debug("taking {}", 1);
            integers.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t2").start();
    sleep(1);
    new Thread(() -> {
        try {
            log.debug("taking {}", 2);
            integers.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t3").start();

运行结果：

11:48:15.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - putting 1 
    11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t2] - taking 1 
    11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - 1 putted... 
    11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - putting...2 
    11:48:17.502 c.TestSynchronousQueue [t3] - taking 2 
    11:48:17.503 c.TestSynchronousQueue [t1] - 2 putted...

特点

*  核心线程数是 0， 最大线程数是 Integer.MAX\_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，
    
     *  意味着全部都是救急线程（60s 后可以回收）
     *  救急线程可以无限创建
 *  队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是，**它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）**

> **评价** 整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲 1分钟后释放线 程。 适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

#### newSingleThreadExecutor ####

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

使用场景：

希望多个任务排队执行。线程数固定为 1，**任务数多于 1 时，会放入无界队列排队**。任务执行完毕，这唯一的线程 也不会被释放。

区别：这个单线程池与自己创建一个线程来执行任务有什么区别呢？

*  自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一 个线程，保证池的正常工作
 *  Executors.newSingleThreadExecutor() **线程个数始终为1，不能修改**
    
     *  FinalizableDelegatedExecutorService 应用的是装饰器模式，在调用构造方法时将ThreadPoolExecutor对象传给了内部的ExecutorService接口。只对外暴露了 ExecutorService 接口，因此不能调用 ThreadPoolExecutor 中特有的方法，也不能重新设置线程池的大小。
 *  与Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1的区别，使用Executors.newFixedThreadPool(1)这个以后还可以修改，但是单例线程池是不能修改的
    
     *  对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改

注意：

注意，Executors 返回线程池对象的弊端如下：

FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor ： 允许请求的队列长度为 Integer.MAX\_VALUE,可能堆积大量的请求，从而导致 OOM。 CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool ： 允许创建的线程数量为 Integer.MAX\_VALUE ，可能会创建大量线程，从而导致 OOM。 说白了就是：使用有界队列，控制线程创建数量。 除了避免 OOM 的原因之外，不推荐使用 Executors提供的两种快捷的线程池的原因还有：

实际使用中需要根据自己机器的性能、业务场景来手动配置线程池的参数比如核心线程数、使用的任务队列、饱和策略等等。 我们应该显示地给我们的线程池命名，这样有助于我们定位问题。 原文链接：[Java 并发编程下篇 -（线程池）\_CodeAli的博客-CSDN博客][Java _ -_CodeAli_-CSDN]

#### 使用第三方的线程工厂 ####

我们想帮自己的线程自定义线程name，这样可以让线程的name与业务挂钩，以后排除问题的时候就容易一些了；如果是自己定义线程工厂的话，很多线程安全的问题我们自己都考虑不到；

*  Google guava 工具类 提供的 ThreadFactoryBuilder（需要引入相关的jar包）
 *  ![ac90b2b66a28443fbb0f41db4d43f7c4.png][]
    
    使用方式：
 *      package threadpool;
        import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;
        import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
        import java.util.concurrent.ExecutorService;
        import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
        import java.util.concurrent.TimeUnit;
        
        /**
         * 这个类是用来 演示 guava架构包提供的线程命名方式 （为什么使用大公司写的，他们写的考虑的因素多，更加安全）
         */
        public class GuavaUseTest {
            public static void main(String[] args) {
        
                ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60L,
                        TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50),
                        //使用Google提供的线程工厂来进行自主命名  一般是前缀名
                        new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("这个是LJM的线程" +"pool" ).build(),
                        //这个拒绝策略可以自定义
                        ((runnable,executor) -> {
                            System.out.println("这个任务我们没法处理了");
                        })
                );
            }
        }
 *  Apache commons-lang3 提供的 BasicThreadFactory
 *  使用方法：（不用导入第三方架构包）

package threadpool;
    import org.apache.commons.lang3.concurrent.BasicThreadFactory;
    
    import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /**
     * 这个类是用来演示 Apache commons-lang3 提供的 BasicThreadFactory类  对线程池进行自主命名
     */
    public class BasicThreadFactoryTest {
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60L,
                    TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50),
                    //使用Google提供的线程工厂来进行自主命名  一般是前缀名
                   new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("这个是LJM的线程-pool").build(),
                    //这个拒绝策略可以自定义
                    ((runnable,executor) -> {
                        System.out.println("这个任务我们没法处理了");
                    })
            );
        }
    }

#### ④线程池提交任务 ####

线程的各种提交方式的概念：

// 执行任务
    void execute(Runnable command);
    
    // 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果   会有返回值
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    
    // 提交 tasks 中所有任务
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;
    
    // 提交 tasks 中所有任务，带超时时间，时间超时后，会放弃执行后面的任务
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    
    // 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;
    
    // 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

#### submit案例： ####

**提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果 会有返回值**

private static void method1(ExecutorService pool) throws InterruptedException, ExecutionException {
        Future<String> future = pool.submit(() -> {
            log.debug("running");
            Thread.sleep(1000);
            return "ok";
        });
    	//获取线程的返回结果
        log.debug("{}", future.get());
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        method1(pool);
    }

允许结果：

18:36:58.033 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - running
    18:36:59.034 c.TestSubmit [main] - ok

#### invokeAll案例： ####

**提交 tasks 中所有任务，如果带超时时间，那么时间超时后，会放弃执行后面的任务**

private static void method2(ExecutorService pool) throws InterruptedException {
        //返回的是一个泛型为Future的集合
        List<Future<String>> futures = pool.invokeAll(Arrays.asList(
            () -> {
                log.debug("begin");
                Thread.sleep(1000);
                return "1";
            },
            () -> {
                log.debug("begin");
                Thread.sleep(500);
                return "2";
            },
            () -> {
                log.debug("begin");
                Thread.sleep(2000);
                return "3";
            }
        ));
    
        futures.forEach( f ->  {
            try {
                log.debug("{}", f.get());
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        method2(pool);
    }

测试结果：

19:33:16.530 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin
    19:33:17.530 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin
    19:33:18.040 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin
    19:33:20.051 c.TestSubmit [main] - 1
    19:33:20.051 c.TestSubmit [main] - 2
    19:33:20.051 c.TestSubmit [main] - 3

#### invokeAny案例： ####

提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消

private static void method3(ExecutorService pool) throws InterruptedException, ExecutionException {
    
        String result = pool.invokeAny(Arrays.asList(
            () -> {
                log.debug("begin 1");
                Thread.sleep(1000);
                log.debug("end 1");
                return "1";
            },
            () -> {
                log.debug("begin 2");
                Thread.sleep(500);
                log.debug("end 2");
                return "2";
            },
            () -> {
                log.debug("begin 3");
                Thread.sleep(2000);
                log.debug("end 3");
                return "3";
            }
        ));
        log.debug("{}", result);
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        method3(pool);
    }

测试结果：

19:44:46.314 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin 1
    19:44:46.314 c.TestSubmit [pool-1-thread-3] - begin 3
    19:44:46.314 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - begin 2
    19:44:46.817 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - end 2
    19:44:46.817 c.TestSubmit [main] - 2
    
    19:47:16.063 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin 1
    19:47:17.063 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - end 1
    19:47:17.063 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin 2
    19:47:17.063 c.TestSubmit [main] - 1

#### ⑤关闭线程池    ####

#### shutdown ####

/*
    线程池状态变为 SHUTDOWN
    - 不会接收新任务
    - 但已提交任务会执行完
    - 此方法不会阻塞调用线程的执行，比如如果主线程此时调用了这个shutDown方法，此时并不会阻塞主线程，如果主线程
    */
    void shutdown();

//实现的源码
    public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改线程池状态
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 仅会打断空闲线程
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试终结(没有运行的线程可以立刻终结，如果还有运行的线程也不会等)
        tryTerminate();
    }

#### shutdownNow ####

/*
    线程池状态变为 STOP
    - 不会接收新任务
    - 会将队列中的任务返回
    - 并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务
    */
    List<Runnable> shutdownNow();

public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改线程池状态
            advanceRunState(STOP);
            // 打断所有线程
            interruptWorkers();
            // 获取队列中剩余任务
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试终结
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

#### **其他方法**（了解） ####

// 不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
    boolean isShutdown();
    // 线程池状态是否是 TERMINATED
    boolean isTerminated();
    // 调用 shutdown 后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事情，可以利用此方法等待
    // 一般task是Callable类型的时候不用此方法，因为futureTask.get方法自带等待功能。
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

**测试shutdown、shutdownNow、awaitTermination**

@Slf4j(topic = "c.TestShutDown")
    public class TestShutDown {
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
    
            Future<Integer> result1 = pool.submit(() -> {
                log.debug("task 1 running...");
                Thread.sleep(1000);
                log.debug("task 1 finish...");
                return 1;
            });
    
            Future<Integer> result2 = pool.submit(() -> {
                log.debug("task 2 running...");
                Thread.sleep(1000);
                log.debug("task 2 finish...");
                return 2;
            });
    
            Future<Integer> result3 = pool.submit(() -> {
                log.debug("task 3 running...");
                Thread.sleep(1000);
                log.debug("task 3 finish...");
                return 3;
            });
    
            log.debug("shutdown");
            pool.shutdown();
            //        pool.awaitTermination(3, TimeUnit.SECONDS);
            //        List<Runnable> runnables = pool.shutdownNow();
            //        log.debug("other.... {}" , runnables);
        }
    }

#shutdown依旧会执行剩下的任务
    20:09:13.285 c.TestShutDown [main] - shutdown
    20:09:13.285 c.TestShutDown [pool-1-thread-1] - task 1 running...
    20:09:13.285 c.TestShutDown [pool-1-thread-2] - task 2 running...
    20:09:14.293 c.TestShutDown [pool-1-thread-2] - task 2 finish...
    20:09:14.293 c.TestShutDown [pool-1-thread-1] - task 1 finish...
    20:09:14.293 c.TestShutDown [pool-1-thread-2] - task 3 running...
    20:09:15.303 c.TestShutDown [pool-1-thread-2] - task 3 finish...
    #shutdownNow立刻停止所有任务
    20:11:11.750 c.TestShutDown [main] - shutdown
    20:11:11.750 c.TestShutDown [pool-1-thread-1] - task 1 running...
    20:11:11.750 c.TestShutDown [pool-1-thread-2] - task 2 running...
    20:11:11.750 c.TestShutDown [main] - other.... [java.util.concurrent.FutureTask@66d33a]

### 3.模式之工作线程（了解） ###

#### 前言和案例介绍 ####

**定义**

让有限的工作线程（Worker Thread）来轮流异步处理无限多的任务。也可以将其归类为分工模式，它的典型实现就是线程池，也体现了经典设计模式中的享元模式。

例如，海底捞的服务员（线程），轮流处理每位客人的点餐（任务），如果为每位客人都配一名专属的服务员，那 么成本就太高了（对比另一种多线程设计模式：Thread-Per-Message）

**注意，不同任务类型应该使用不同的线程池，这样能够避免饥饿，并能提升效率；**

例如，如果一个餐馆的工人既要招呼客人（任务类型A），又要到后厨做菜（任务类型B）显然效率不咋地，分成 服务员（线程池A）与厨师（线程池B）更为合理，当然你可能想到更细致的分工；

**饥饿**

使用固定大小线程池会有饥饿现象 ；线程池中的线程不足会导致饥饿现象；

*  两个工人是同一个线程池中的两个线程
 *  他们要做的事情是：为客人点餐和到后厨做菜，这是两个阶段的工作
    
     *  客人点餐：必须先点完餐，等菜做好，上菜，在此期间处理点餐的工人必须等待
     *  后厨做菜：没啥说的，做就是了
 *  比如工人A 处理了点餐任务，接下来它要等着 工人B 把菜做好，然后上菜，他俩也配合的蛮好
 *  但现在同时来了两个客人，这个时候工人A 和工人B 都去处理点餐了，这时没人做饭了，饥饿

案例：

public class TestDeadLock {
        static final List<String> MENU = Arrays.asList("地三鲜", "宫保鸡丁", "辣子鸡丁", "烤鸡翅");
        static Random RANDOM = new Random();
        static String cooking() {
            return MENU.get(RANDOM.nextInt(MENU.size()));
        }
        public static void main(String[] args) {
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
            executorService.execute(() -> {
                log.debug("处理点餐...");
                Future<String> f = executorService.submit(() -> {
                    log.debug("做菜");
                    return cooking();
                });
                try {
                    log.debug("上菜: {}", f.get());
                } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            
            executorService.execute(() -> {
                log.debug("处理点餐...");
                Future<String> f = executorService.submit(() -> {
                    log.debug("做菜");
                    return cooking();
                });
                try {
                    log.debug("上菜: {}", f.get());
                } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            
        }
    }

运行的结果可能是：

17:08:41.339 c.TestDeadLock [pool-1-thread-2] - 处理点餐...  
    17:08:41.339 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 处理点餐...

因为线程池的数量有限，可能就会导致**像**死锁一样的情况（这里并不是真的死锁，这样讲是为了帮助理解），都卡在哪里等待；

#### 创建多少线程池合适 ####

*  过小会导致程序不能充分地利用系统资源、容易导致饥饿
 *  过大会导致更多的线程上下文切换，占用更多内存

**CPU 密集型运算**

通常采用 `cpu 核数 + 1` 能够实现最优的 CPU 利用率，+1 是保证当线程由于页缺失故障（操作系统）或其它原因 导致暂停时，额外的这个线程就能顶上去，保证 CPU 时钟周期不被浪费

**I/O 密集型运算**

CPU 不总是处于繁忙状态，例如，当你执行业务计算时，这时候会使用 CPU 资源，但当你执行 I/O 操作时、远程 RPC 调用时，包括进行数据库操作时，这时候 CPU 就闲下来了，你可以利用多线程提高它的利用率。

经验公式如下

`线程数 = 核数 * 期望 CPU 利用率 * 总时间(CPU计算时间+等待时间) / CPU 计算时间`

例如 4 核 CPU 计算时间是 50% ，其它等待时间是 50%，期望 cpu 被 100% 利用，套用公式

`4 * 100% * 100% / 50% = 8`

例如 4 核 CPU 计算时间是 10% ，其它等待时间是 90%，期望 cpu 被 100% 利用，套用公式

`4 * 100% * 100% / 10% = 40`

#### 自定义线程池（重点掌握） ####

这里是针对jdk1.8版本，使用jdk自带的线程时会出现OOM问题（就是内存被堆爆了）,中小型公司一般很难遇到这种情况，但是在阿里巴巴开发文档上有明确的标识,线程不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPooleExecutor的方式（就是根据自己的业务需求自定义创建线程池），这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险；

如果自己不会定义的话，可以参考源码呀，可以把源码自己复制粘贴在自己写的类，然后再改一下基本的数据参数即可，但是数据别乱改，得参考自己的设备，别负荷运行了；

**如果遇到不会的，先看源码是怎么写的，看能不能复制过来使用？看看人家是怎么实现的？如果我们不能直接使用那我们可不可以看他是如何实现的，我们也去实现这个接口，让我们和它有一样的功能；**

package threadpool;
    import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /**
     * 尝试自定义线程池
     */
    public class CustomThreadPool {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            /**
             * corePoolSize:核心线程数
             * maximumPoolSize：线程池里的最大线程数
             * long keepAliveTime：救急线程的活跃时间
             * TimeUnit unit：时间单位
             * BlockingQueue<Runnable> workQueue：任务队列，用于存放提交但是尚未被执行的任务
             * ThreadFactory threadFactory：用于创建线程，在这里可以自定义线程name
             * RejectedExecutionHandler handler：使用默认的AbortPolicy()
             */
    //        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60L, TimeUnit.SECONDS,
    //                new ArrayBlockingQueue<>(50), new MyThreadFactory(),
    //                使用默认的拒绝访问方法
    //                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
    //        );
    
            ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60L,
                    TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50), new MyThreadFactory(),
                    //这个拒绝策略可以自定义
                    ((runnable,executor) -> {
                        System.out.println("这个任务我们没法处理了");
                    })
            );
    
            //测试自己创建线程池可不可以使用  结果发现执行的线程池不会被销毁
            //提交的线程任务参数也只能是 实现runnable接口的对象或者是实现Callable接口对象
            executorService.submit(()->{
                System.out.println("----");
            });
            //让线程池停止
            executorService.shutdown();
    
            //参数最大线程数
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Thread.sleep(1000);
                executorService.submit(()->{
                    System.out.println("520");
                });
            }
        }
    }
    
    
    package threadpool;
    import java.util.concurrent.ThreadFactory;
    /**
     * 这个类是给自定义的线程池用的线程工厂，怎么写的？是参照源码仿照的
     */
    public class MyThreadFactory implements ThreadFactory {
        @Override
        public Thread newThread(Runnable r) {
            return new Thread(r,"thread-name");
        }
    }

### 4.任务调度线程池 ###

在『任务调度线程池』功能加入之前(JDK1.3)，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能，Timer 的优点在于简单易用，但**由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个 任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务。**

不过这个Timer 已经过时了，不建议再使用了；

#### 延时执行任务 ####

延时执行任务推荐使用 ScheduledExecutorService 类，

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
    // 添加两个任务，希望它们都在 1s 后执行
    //这个schedule方法有三个参数,第一个参数是runnable或者是callable，第二个参数是延时多长时间去执行，第三个参数是时间单位
    executor.schedule(() -> {
        System.out.println("任务1，执行时间：" + new Date());
        try { Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e)
        {
             e.printStackTrace();
        }
    }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    executor.schedule(() -> {
        System.out.println("任务2，执行时间：" + new Date());
    }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    //而且这个schedule是不会受到异常的影响的，即便第一个线程抛异常了。第二个线程依旧是可以正常运行的

#### 定时执行任务 ####

使用scheduleAtFixedRate ；

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    log.debug("start...");
    //第一参数表示任务，第二个参数表示出现的延迟时间，第三个参数表示周期执行的时间间隔，第四个参数是时间间隔的单位
    pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
        log.debug("running...");
    }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

21:45:43.167 c.TestTimer [main] - start... 
    21:45:44.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:45:45.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:45:46.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:45:47.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...

如果每个任务的执行时间超过了间隔的时间，那么会发生什么呢？ --- 时间间隔被挤长了，其他效果是没什么影响的；

代码测试：

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    log.debug("start...");
    pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
        log.debug("running...");
        sleep(2);
    }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出分析：一开始，延时 1s，接下来，由于任务执行时间 > 间隔时间，间隔被『撑』到了 2s

21:44:30.311 c.TestTimer [main] - start... 
    21:44:31.360 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:44:33.361 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:44:35.362 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running... 
    21:44:37.362 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...

小结：整个线程池表现为：线程数固定，任务数多于线程数时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这些线程也不会被释放。用来执行延迟或反复执行的任务

#### 正确处理抛出的异常 ####

不论是哪个线程池，在线程执行的任务发生异常后既不会抛出，也不会捕获，这时就需要我们做一定的处理。

**方法1：主动捉异常**

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
    pool.submit(() -> {
        try {
            log.debug("task1");
            int i = 1 / 0;
        } catch (Exception e) {
            //一定不要生吞异常！！！
            log.error("error:", e);
        }
    });

**方法2：使用 Future**

说明：

*  【lambda表达式内要有返回值，编译器才能将其识别为Callable】，否则将识别为Runnable，也就不能用FutureTask
 *  方法中如果出异常，`futuretask.get`会返回这个异常，否者正常返回。

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
    Future<Boolean> f = pool.submit(() -> {
        log.debug("task1");
        int i = 1 / 0;
        return true;
    });
    log.debug("result:{}", f.get());

这样的话报异常的话就可以被捕获输出到控制台，这样有利于定位异常的位置；

### 5.Fork/Join（先了解概念） ###

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，**适用于能够进行任务拆分的 cpu 密集型运算;**

所谓的任务拆分，是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。跟递归相关的一些计 算，如归并排序、斐波那契数列、都可以用分治思想进行求解

Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运 算效率

**Fork/Join 默认会创建与 cpu 核心数大小相同的线程池;**

#### 使用Fork/Join ####

**应用之求和**

提交给 Fork/Join 线程池的任务需要继承 RecursiveTask（有返回值）或 RecursiveAction（没有返回值），例如下 面定义了一个对 1~n 之间的整数求和的任务

@Slf4j(topic = "c.AddTask")
    class AddTask1 extends RecursiveTask<Integer> {
        int n;
        public AddTask1(int n) {
            this.n = n;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "{" + n + '}';
        }
        @Override
        protected Integer compute() {
            // 如果 n 已经为 1，可以求得结果了  创建终止拆分的条件
            if (n == 1) {
                log.debug("join() {}", n);
                return n;
            }
    
            // 将任务进行拆分(fork)
            AddTask1 t1 = new AddTask1(n - 1);
            t1.fork(); //让线程池的线程去执行此任务
            log.debug("fork() {} + {}", n, t1);
    
            // 合并(join)结果
            int result = n + t1.join();
            log.debug("join() {} + {} = {}", n, t1, result);
            return result;
        }
    }

然后提交给 ForkJoinPool 来执行

public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
        System.out.println(pool.invoke(new AddTask1(5)));
    }

[ForkJoinPool-1-worker-0] - fork() 2 + {1} 
    [ForkJoinPool-1-worker-1] - fork() 5 + {4} 
    [ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 1 
    [ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 2 + {1} = 3 
    [ForkJoinPool-1-worker-2] - fork() 4 + {3} 
    [ForkJoinPool-1-worker-3] - fork() 3 + {2} 
    [ForkJoinPool-1-worker-3] - join() 3 + {2} = 6 
    [ForkJoinPool-1-worker-2] - join() 4 + {3} = 10 
    [ForkJoinPool-1-worker-1] - join() 5 + {4} = 15 
    15

但是我们发现这个这个任务的依赖性太强了，所以还可以继续优化......这也告诉我们如果没有合理的设计这个任务拆分，那是会影响的程序的性能的；**但是好消息是在jdk8后，这个任务的拆分是交给了框架的内部来完成，其实就是stream流的api使用；**

[a4d1773397f3457da09119ac67b5f7bb.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/a4d1773397f3457da09119ac67b5f7bb.png
[c7a37a0af06141cd930e34dee123b6c7.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c7a37a0af06141cd930e34dee123b6c7.png
[Java _ -_CodeAli_-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_50280576/article/details/113532107
[ac90b2b66a28443fbb0f41db4d43f7c4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ac90b2b66a28443fbb0f41db4d43f7c4.png