【Java 基础篇】ThreadPoolExecutor 详解

冷不防 2023-10-16 11:40 69阅读 0赞

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多线程编程是现代应用程序开发中的一个重要主题。为了更有效地管理和利用多线程资源，Java 提供了丰富的线程池支持。`ThreadPoolExecutor` 类是 Java 中用于创建和管理线程池的核心类之一，本文将详细介绍 `ThreadPoolExecutor` 的使用方法和原理。

### 线程池的基本概念 ###

在深入探讨 `ThreadPoolExecutor` 之前，让我们先了解一些线程池的基本概念。

#### 1. 什么是线程池？ ####

线程池是一组维护着多个线程的池子，这些线程可以被反复使用，以执行异步任务。线程池的主要目的是为了管理线程的生命周期，降低线程创建和销毁的开销，提高应用程序的性能和稳定性。

#### 2. 为什么需要线程池？ ####

在多线程应用程序中，创建线程和销毁线程都是比较昂贵的操作，因为它们涉及到操作系统的资源分配。如果每个任务都创建一个新线程，会导致系统开销增加，降低性能。线程池的作用是维护一定数量的线程，并在需要时将任务提交给这些线程执行，避免了线程的频繁创建和销毁。

#### 3. 线程池的优点 ####

使用线程池的好处包括：

*  **提高性能：** 可以重复使用线程，避免了线程的频繁创建和销毁。
 *  **控制资源：** 可以限制线程的数量，避免资源耗尽。
 *  **提高响应速度：** 可以将任务提交给空闲线程立即执行，提高了任务响应速度。
 *  **提高稳定性：** 有效控制线程的生命周期，避免线程泄漏和崩溃。

### ThreadPoolExecutor 的介绍 ###

`ThreadPoolExecutor` 是 Java 中用于创建和管理线程池的核心类之一。它提供了丰富的配置选项，可以根据应用程序的需求来创建不同类型的线程池。

#### 构造方法 ####

`ThreadPoolExecutor` 的构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(
        int corePoolSize,              // 核心线程数，池子中一直保持的线程数量
        int maximumPoolSize,           // 最大线程数，池子中最多可以拥有的线程数量
        long keepAliveTime,            // 非核心线程闲置超时时间
        TimeUnit unit,                 // 超时时间单位
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,  // 任务队列，用于存放等待执行的任务
        ThreadFactory threadFactory,    // 线程工厂，用于创建新线程
        RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略，用于处理无法处理的任务
    );

接下来，我们将对上述参数进行详细解释：

*  `corePoolSize`：核心线程数，线程池中一直保持的线程数量。即使这些线程处于空闲状态，也不会被销毁，除非线程池被关闭。这个参数可以理解为线程池的基本容量。
 *  `maximumPoolSize`：最大线程数，线程池中最多可以拥有的线程数量。当任务队列满了，并且正在运行的线程数量达到 `corePoolSize` 时，线程池会创建新的线程来执行任务，直到达到 `maximumPoolSize`。如果任务队列满了，且已经达到 `maximumPoolSize`，则后续任务会根据拒绝策略进行处理。
 *  `keepAliveTime`：非核心线程闲置超时时间。当线程池中的线程数量超过 `corePoolSize` 时，多余的空闲线程会在等待一定时间后被销毁。这个参数指定了空闲线程的存活时间。
 *  `unit`：超时时间单位，与 `keepAliveTime` 配合使用。
 *  `workQueue`：任务队列，用于存放等待执行的任务。`ThreadPoolExecutor` 提供了多种队列实现，例如 `LinkedBlockingQueue`、`ArrayBlockingQueue`、`PriorityBlockingQueue` 等，不同的队列类型适用于不同的场景。
 *  `threadFactory`：线程工厂，用于创建新线程。通常情况下，可以使用默认的线程工厂。
 *  `handler`：拒绝策略，用于处理无法处理的任务。当任务队列已满，并且线程池中的线程数量达到 `maximumPoolSize` 时，新提交的任务将根据拒绝策略进行处理。常见的拒绝策略包括抛出异常、丢弃任务、丢弃最旧的任务和自定义策略。

#### 线程池的状态 ####

`ThreadPoolExecutor` 有几种不同的状态，包括以下几种：

*  `RUNNING`：线程池正在运行，可以接收新任务并处理已有任务。
 *  `SHUTDOWN`：线程池处于关闭状态，不再接受新任务，但会继续处理已有任务，直到任务队列为空。
 *  `STOP`：线程池立即停止，正在执行的任务会被中断，尚未执行的任务会被移出队列。
 *  `TIDYING`：线程池正在整理线程，等待终止状态。
 *  `TERMINATED`：线程池已终止，不再执行任何任务。

#### 工作流程 ####

`ThreadPoolExecutor` 的工作流程可以简单地描述如下：

1.  当线程池接收到一个新任务时，首先检查核心线程是否已满，如果未满，则创建一个新的核心线程来执行该任务。
2.  如果核心线程已满，但线程池中的线程数量未达到最大线程数，则创建一个新线程来执行任务。
3.  如果线程池中的线程数量已达到最大线程数，将任务添加到任务队列中等待执行。
4.  如果任务队列已满，并且线程池中的线程数量已达到最大线程数，根据拒绝策略来处理任务。默认情况下，拒绝策略是抛出 `RejectedExecutionException` 异常。
5.  当线程池中的某个线程执行完任务后，会从任务队列中获取下一个任务继续执行，直到任务队列为空。
6.  当线程池处于 `SHUTDOWN` 状态时，不再接受新任务，但会继续执行已有任务，直到任务队列为空。
7.  当线程池处于 `STOP` 状态时，会立即停止所有正在执行的任务，并清空任务队列。
8.  当线程池处于 `TIDYING` 状态时，正在执行的任务会继续执行，直到任务队列为空，然后线程池会进入 `TERMINATED` 状态。

### 使用 ThreadPoolExecutor ###

接下来，我们将详细介绍如何使用 `ThreadPoolExecutor` 创建和管理线程池。

#### 创建 ThreadPoolExecutor ####

要创建一个 `ThreadPoolExecutor`，需要调用其构造方法并传递相应的参数。下面是一个示例：

import java.util.concurrent.*;
    
    public class MyThreadPool {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建 ThreadPoolExecutor
            ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                2,               // 核心线程数
                4,               // 最大线程数
                30,              // 非核心线程闲置超时时间
                TimeUnit.SECONDS,  // 超时时间单位
                new ArrayBlockingQueue<>(10), // 任务队列
                Executors.defaultThreadFactory(), // 线程工厂
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒绝策略
            );
            
            // 提交任务
            executor.submit(() -> {
        
                // 任务逻辑
                System.out.println("Hello, ThreadPoolExecutor!");
            });
            
            // 关闭线程池
            executor.shutdown();
        }
    }

上面的示例创建了一个 `ThreadPoolExecutor`，配置了核心线程数为 2，最大线程数为 4，非核心线程闲置超时时间为 30 秒，任务队列为 `ArrayBlockingQueue`，线程工厂使用默认工厂，拒绝策略为 `AbortPolicy`（抛出异常）。

#### 提交任务 ####

可以使用 `submit` 方法将任务提交给线程池执行。任务可以是 `Runnable` 或 `Callable` 类型的。

executor.submit(() -> {
        
        // 任务逻辑
    });

#### 关闭线程池 ####

当不再需要线程池时，应该调用 `shutdown` 方法来关闭线程池。关闭线程池后，将不再接受新任务，但会继续执行已有任务，直到任务队列为空。

executor.shutdown();

#### 定制线程池配置 ####

`ThreadPoolExecutor` 提供了许多配置选项，可以根据实际需求进行定制。例如，可以设置线程池的拒绝策略、线程池名称、线程池的统计信息等。

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
        corePoolSize,
        maximumPoolSize,
        keepAliveTime,
        unit,
        workQueue,
        threadFactory,
        handler
    );

#### 线程池的状态控制 ####

在某些情况下，可能需要控制线程池的状态，例如暂停线程池、恢复线程池、重新设置线程池参数等。可以通过合理的编码方式来实现这些控制。

### 总结 ###

`ThreadPoolExecutor` 是 Java 中用于创建和管理线程池的核心类之一。它提供了丰富的配置选项，可以根据应用程序的需求来创建不同类型的线程池。通过合理配置线程池，可以提高应用程序的性能和稳定性，避免线程创建和销毁的开销，提高任务处理的效率。希望本文对你理解和使用 `ThreadPoolExecutor` 有所帮助。如果你对多线程编程还有其他问题或需求，欢迎继续阅读相关文档或咨询相关专家。

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