JDK 提供的线程池及使用场景

JDK 为我们内置了四种常见线程池的实现，均可以使用 Executors 工厂类创建。

1.newFixedThreadPool

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

可以看到，FixedThreadPool 的核心线程数和最大线程数都是指定值，也就是说当线程池中的线程数超过核心线程数后，任务都会被放到阻塞队列中。

此外 keepAliveTime 为 0，也就是多余的空余线程会被立即终止（由于这里没有多余线程，这个参数也没什么意义了）。

而这里选用的阻塞队列是 LinkedBlockingQueue，使用的是默认容量 Integer.MAX_VALUE，相当于没有上限。

因此这个线程池执行任务的流程如下：

线程数少于核心线程数，也就是设置的线程数时，新建线程执行任务
线程数等于核心线程数后，将任务加入阻塞队列
- 由于队列容量非常大，可以一直加加加
执行完任务的线程反复去队列中取任务执行

FixedThreadPool 用于负载比较重的服务器，为了资源的合理利用，需要限制当前线程数量。

2.newSingleThreadExecutor

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

从参数可以看出来，SingleThreadExecutor 相当于特殊的 FixedThreadPool，它的执行流程如下：

线程池中没有线程时，新建一个线程执行任务
有一个线程以后，将任务加入阻塞队列，不停加加加
唯一的这一个线程不停地去队列里取任务执行

听起来很可怜的样子 - -。

SingleThreadExecutor 用于串行执行任务的场景，每个任务必须按顺序执行，不需要并发执行。

3.newCachedThreadPool

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

可以看到，CachedThreadPool 没有核心线程，非核心线程数无上限，也就是全部使用外包，但是每个外包空闲的时间只有 60 秒，超过后就会被回收。

CachedThreadPool 使用的队列是 SynchronousQueue，这个队列的作用就是传递任务，并不会保存。

因此当提交任务的速度大于处理任务的速度时，每次提交一个任务，就会创建一个线程。极端情况下会创建过多的线程，耗尽 CPU 和内存资源。

它的执行流程如下：

没有核心线程，直接向 SynchronousQueue 中提交任务
如果有空闲线程，就去取出任务执行；如果没有空闲线程，就新建一个
执行完任务的线程有 60 秒生存时间，如果在这个时间内可以接到新任务，就可以继续活下去，否则就拜拜

由于空闲 60 秒的线程会被终止，长时间保持空闲的 CachedThreadPool 不会占用任何资源。

CachedThreadPool 用于并发执行大量短期的小任务，或者是负载较轻的服务器。

4.newScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
          DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}
private static final long DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS = 10L;

ScheduledThreadPoolExecutor 继承自 ThreadPoolExecutor，最多线程数为 Integer.MAX_VALUE ，使用 DelayedWorkQueue 作为任务队列。

ScheduledThreadPoolExecutor 添加任务和执行任务的机制与ThreadPoolExecutor 有所不同。

ScheduledThreadPoolExecutor 添加任务提供了另外两个方法：

scheduleAtFixedRate() ：按某种速率周期执行
scheduleWithFixedDelay()：在某个延迟后执行

public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                              long initialDelay,
                                              long period,
                                              TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (period <= 0L)
        throw new IllegalArgumentException();
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
        new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      unit.toNanos(period),
                                      sequencer.getAndIncrement());
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    delayedExecute(t);
    return t;
}
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                 long initialDelay,
                                                 long delay,
                                                 TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (delay <= 0L)
        throw new IllegalArgumentException();
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
        new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      -unit.toNanos(delay),
                                      sequencer.getAndIncrement());
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    delayedExecute(t);
    return t;

可以看到，这两种方法都是创建了一个 ScheduledFutureTask 对象，调用 decorateTask() 方法转成 RunnableScheduledFuture 对象，然后添加到队列中

看下 ScheduledFutureTask 的主要属性：

private class ScheduledFutureTask<V>
        extends FutureTask<V> implements RunnableScheduledFuture<V> {
 
    //添加到队列中的顺序
    private final long sequenceNumber;
    //何时执行这个任务
    private volatile long time;
    //执行的间隔周期
    private final long period;
    //实际被添加到队列中的 task
    RunnableScheduledFuture<V> outerTask = this;
    //在 delay queue 中的索引，便于取消时快速查找
    int heapIndex;
    //...

DelayQueue 中封装了一个优先级队列，这个队列会对队列中的 ScheduledFutureTask 进行排序，两个任务的执行 time 不同时，time 小的先执行；否则比较添加到队列中的顺序 sequenceNumber ，先提交的先执行。

ScheduledThreadPoolExecutor 的执行流程如下：

调用上面两个方法添加一个任务
线程池中的线程从 DelayQueue 中取任务
然后执行任务

具体执行任务的步骤也比较复杂：

线程从 DelayQueue 中获取 time 大于等于当前时间的 ScheduledFutureTask
- DelayQueue.take()
执行完后修改这个 task 的 time 为下次被执行的时间
然后再把这个 task 放回队列中
- DelayQueue.add()

ScheduledThreadPoolExecutor 用于需要多个后台线程执行周期任务，同时需要限制线程数量的场景。

两种提交任务的方法

ExecutorService 提供了两种提交任务的方法：

execute

execute()：提交不需要返回值的任务

submit()：提交需要返回值的任务

void execute(Runnable command)

execute() 的参数是一个 Runnable，也没有返回值。因此提交后无法判断该任务是否被线程池执行成功。

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
executor.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        //do something
    }
});

submit

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

submit() 有三种重载，参数可以是 Callable 也可以是 Runnable。

同时它会返回一个 Funture 对象，通过它我们可以判断任务是否执行成功。

获得执行结果调用 Future.get() 方法，这个方法会阻塞当前线程直到任务完成。

提交一个 Callable 任务时，需要使用 FutureTask 包一层：

FutureTask futureTask = new FutureTask(new Callable<String>() {    //创建 Callable 任务
    @Override
    public String call() throws Exception {
        String result = "";
        //do something
        return result;
    }
});
Future<?> submit = executor.submit(futureTask);    //提交到线程池
try {
    Object result = submit.get();    //获取结果
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

如何合理地选择或者配置

了解 JDK 提供的几种线程池实现，在实际开发中如何选择呢？

根据任务类型决定。
前面已经介绍了，这里再小节一下：

CachedThreadPool 用于并发执行大量短期的小任务，或者是负载较轻的服务器。
FixedThreadPool 用于负载比较重的服务器，为了资源的合理利用，需要限制当前线程数量。
SingleThreadExecutor 用于串行执行任务的场景，每个任务必须按顺序执行，不需要并发执行。
ScheduledThreadPoolExecutor 用于需要多个后台线程执行周期任务，同时需要限制线程数量的场景。

自定义线程池时，如果任务是 CPU 密集型（需要进行大量计算、处理），则应该配置尽量少的线程，比如 CPU 个数 + 1，这样可以避免出现每个线程都需要使用很长时间但是有太多线程争抢资源的情况；
如果任务是 IO密集型（主要时间都在 I/O，CPU 空闲时间比较多），则应该配置多一些线程，比如 CPU 数的两倍，这样可以更高地压榨 CPU。

为了错误避免创建过多线程导致系统奔溃，建议使用有界队列。因为它在无法添加更多任务时会拒绝任务，这样可以提前预警，避免影响整个系统。

执行时间、顺序有要求的话可以选择优先级队列，同时也要保证低优先级的任务有机会被执行。

总结

这篇文章简单介绍了 Java 中线程池的工作原理和一些常见线程池的使用，在实际开发中最好使用线程池来统一管理异步任务，而不是直接 new 一个线程执行任务。