线程池

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2024-08-08

Java 语言虽然内置了多线程支持，启动一个新线程非常方便，但是，创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间

如果可以复用一组线程，那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池

简单地说，线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。如果有新任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理。

Java 标准库提供了 ExecutorService 接口表示线程池，它的典型用法如下

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);
// 关闭线程池
executor.shutdownNow();

`ExecutorService` 只是接口，`Java` 标准库提供的几个常用实现类有

FixedThreadPool：线程数固定的线程池
CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池
SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池
ScheduledThreadPool：适用于执行延时或者周期性任务

创建这些线程池的方法都被封装到 `Executors` 这个类中。我们以 `FixedThreadPool` 为例，看看线程池的执行逻辑

import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

我们观察执行结果，一次性放入 6 个任务，由于线程池只有固定的 4 个线程，因此，前 4 个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务

线程池在程序结束的时候要关闭。使用 shutdown() 方法关闭线程池的时候，它会等待正在执行的任务先完成，然后再关闭。shutdownNow() 会立刻停止正在执行的任务，awaitTermination() 则会等待指定的时间让线程池关闭

如果我们把线程池改为 CachedThreadPool，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以 6 个任务可一次性全部同时执行

如果我们想把线程池的大小限制在 4～10 个之间动态调整怎么办？我们查看 Executors.newCachedThreadPool() 方法的源码：

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

因此，想创建指定动态范围的线程池，可以这么写

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());

ScheduledThreadPool

还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用 ScheduledThreadPool。放入 ScheduledThreadPool 的任务可以定期反复执行

创建一个 ScheduledThreadPool 仍然是通过 Executors 类

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每 3 秒执行，我们可以这样写

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的 3 秒为间隔执行，我们可以这样写

// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别

FixedRate 是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间
FixedDelay 是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务

在FixedRate模式下，假设每秒触发，如果某次任务执行时间超过1秒，后续任务会不会并发执行？

如果此任务的任何执行时间超过其周期，则后续执行可能会延迟开始，但不会并发执行。

如果任务抛出了异常，后续任务是否继续执行？

如果任务的任何执行遇到异常，则将禁止后续任务的执行。

线程池

ExecutorService 只是接口，Java 标准库提供的几个常用实现类有

创建这些线程池的方法都被封装到 Executors 这个类中。我们以 FixedThreadPool 为例，看看线程池的执行逻辑