文章大綱

引言

早期的編程實踐中，直接使用新線程執行任務雖直觀且易實現，但在高并發場景下卻面臨性能瓶頸。當系統需處理大量短暫并發任務時，頻繁創建和銷毀線程會導致巨大的開銷，降低系統性能，甚至可能因資源過度消耗導致系統崩潰。為解決線程頻繁創建和銷毀的問題，我們需要高效復用線程的機制。

Java線程池概念及重要性

Java的線程池（Thread Pool）提供了這樣的解決方案：預先創建并管理線程組，任務執行時從池中獲取線程，任務完成后線程返回池中等待新任務。這種方式顯著減少線程創建和銷毀，大幅提升系統并發處理能力。

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ThreadPoolExecutor類的概述

Java中的ThreadPoolExecutor是線程池的核心實現，提供靈活的配置和管理方法。要深入理解其工作原理和使用，可從關鍵方法入手，逐步探索其實現邏輯。

ThreadPoolExecutor類的基本功能和作用

在Java中，ThreadPoolExecutor是線程池框架的核心組件，它允許開發者以高度可配置和靈活的方式管理線程資源。其核心功能是為應用程序提供一個線程池，從而優化和控制線程的使用，特別是在處理大量并發任務時。

基本功能

1. 線程管理與復用：ThreadPoolExecutor管理一個線程池，當任務提交給線程池時，線程池會嘗試復用已有的線程來執行任務，而不是為每個新任務都創建一個新線程。這大大減少了線程創建和銷毀的開銷。
2. 任務隊列：當線程池中的線程都在忙碌時，新提交的任務會被放置在一個任務隊列中等待執行。ThreadPoolExecutor允許你配置這個隊列的大小和類型，以適應不同的應用場景。
3. 線程生命周期管理：ThreadPoolExecutor允許你配置線程的生命周期，包括核心線程數、最大線程數、線程空閑時間等。當線程空閑超過指定時間后，多余的線程會被銷毀以節省資源。
4. 任務拒絕策略：當任務隊列已滿且所有線程都在忙碌時，新提交的任務將被拒絕。ThreadPoolExecutor提供了幾種內置的任務拒絕策略，同時也允許你自定義拒絕策略。

核心作用

1. 提高性能：通過復用線程，ThreadPoolExecutor顯著減少了線程創建和銷毀的開銷，從而提高了應用程序的性能。
2. 資源管理：ThreadPoolExecutor允許你精細控制線程資源的使用，包括線程的數量、任務的排隊策略等，從而更有效地管理系統的資源。
3. 簡化并發編程：使用ThreadPoolExecutor，開發者可以更加專注于業務邏輯的實現，而無需過多關注線程的管理和調度。
4. 提供靈活的擴展性：通過調整線程池的配置參數，ThreadPoolExecutor可以適應不同規模和需求的應用程序，提供了很好的擴展性。

ThreadPoolExecutor主要構造函數及其參數

繼承關系鏈

ThreadPoolExecutor 實現了 ExecutorService 接口， ExecutorService 擴展了 Executor 接口。

功能介紹

• Executor：這是Java中執行已提交任務的對象的接口，提供了一種將任務與任務執行機制（通常是線程）解耦的方式。

• ExecutorService：這是一個擴展了Executor接口的接口，它提供了更全面的生命周期管理（例如關閉、終止）和任務提交機制（例如execute, submit等）。ExecutorService通常用于控制和管理線程，它內部封裝了一組線程，使得線程的使用更加簡便和安全。

• AbstractExecutorService：實際上，Java標準庫中沒有名為AbstractExecutorService的接口。可能您是想引用一個抽象類，但ExecutorService接口本身通常被具體類（如ThreadPoolExecutor）實現，而不是由抽象類來擴展。在標準庫中，有一個AbstractExecutorService類的可能性很低，但如果有這樣的類，它可能提供了一些ExecutorService接口的默認實現。

• ThreadPoolExecutor：這是一個實現了ExecutorService接口的具體類，它提供了線程池的實現，允許用戶配置核心線程數、最大線程數、線程空閑時間、任務隊列等參數。ThreadPoolExecutor是線程池框架中最常用的實現之一，它高效地管理線程資源的復用，降低了系統的開銷。

ThreadPoolExecutor 構造器

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor類是線程池中最核心的一個類，因此如果要透徹地了解Java中的線程池，必須先了解這個類。下面我們來看一下ThreadPoolExecutor類的具體實現源碼。

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue);public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit 	unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
...
}	

從上面的代碼可以得知，ThreadPoolExecutor繼承了AbstractExecutorService類，并提供了四個構造器，事實上，通過觀察每個構造器的源碼具體實現，發現前面三個構造器都是調用的第四個構造器進行的初始化工作。

構造器參數

了解如何配置線程池。這包括設置核心線程數、最大線程數、隊列容量等參數。這些參數的選擇將直接影響線程池的性能和穩定性。通過合理地配置這些參數，我們可以在保證系統性能的同時，也避免了資源的過度消耗。

構造器中各個參數的含義

corePoolSize

corePoolSize 是線程池中的一個關鍵參數，它決定了線程池中的核心線程數量。

在創建線程池后，初始狀態下線程池內部并不包含任何線程。線程池會等待任務的到來，并根據需要創建線程來執行任務。除非顯式地調用 prestartAllCoreThreads() 或 prestartCoreThread() 方法，線程池才會預先創建核心線程。從這兩個方法的名字就可以推斷出，它們的目的是在未接收到任務之前就創建指定數量的線程。

在默認情況下，當第一個任務到達時，線程池會創建一個新線程來執行它。隨著更多任務的到達，線程池中的線程數量會逐漸增加，直到達到 corePoolSize 所設定的數量。一旦線程池中的線程數量達到這個核心值，后續到達的任務將不再觸發新線程的創建。

此時，如果還有新任務到來，線程池會將它們放入一個緩存隊列中等待執行。這個隊列通常是一個阻塞隊列，用于存儲待執行的任務。只有當隊列滿了，或者線程池中的線程數量低于 maximumPoolSize（最大線程池大小）時，線程池才會考慮創建額外的線程來執行任務。

注意：合理配置 corePoolSize，可以平衡線程創建和銷毀的開銷與任務執行的效率。如果 corePoolSize 設置得太小，可能會導致大量任務在隊列中等待，從而增加任務的延遲；如果設置得太大，又可能浪費系統資源，因為不是所有線程都會同時處于忙碌狀態。因此，在實際應用中，需要根據任務的特性和系統資源來合理設置這個參數。

maximumPoolSize

線程池中的maximumPoolSize參數指的是線程池能夠容納的最大線程數量。當線程池中的線程數量達到這個值時，新的任務提交到線程池時，線程池將不會再創建新的線程來處理這些任務，而是根據線程池的其他策略（如隊列策略）來決定如何處理這些新任務。

keepAliveTime

線程沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。

默認情況下，只有當線程池中的線程數大于corePoolSize時，keepAliveTime才會起作用，直到線程池中的線程數不大于corePoolSize，即當線程池中的線程數大于corePoolSize時，如果一個線程空閑的時間達到keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數不超過corePoolSize。

注意：如果調用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在線程池中的線程數不大于corePoolSize時，keepAliveTime參數也會起作用，直到線程池中的線程數為0；

unit

unit：參數keepAliveTime的時間單位，有7種取值，在TimeUnit類中有7種靜態屬性：

workQueue

一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，這個參數的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產生重大影響，一般來說，這里的阻塞隊列有以下幾種選擇：

線程池中的阻塞隊列（BlockingQueue）是線程池的一個重要組成部分，用于存儲待執行的任務。當線程池中的線程數量達到corePoolSize時，新提交的任務會被放入這個隊列中等待執行。阻塞隊列的類型會影響線程池的行為和性能。以下是您提到的幾種阻塞隊列的作用和特性：

• ArrayBlockingQueue（數組類型隊列）

  • 特點：基于數組結構的有界阻塞隊列。
  • 容量限制：在創建時需要指定隊列的容量，一旦隊列滿了，新提交的任務會被拒絕。
  • 性能：由于是基于數組，它在入隊和出隊操作上的時間復雜度是O(1)，具有較好的性能。
  • 使用場景：適用于有固定大小的任務緩存場景，當任務量比較大時，能夠避免在內存中創建大量的對象。

• LinkedBlockingQueue（鏈表類型隊列）

  • 特點：基于鏈表結構的有界（但默認大小為Integer.MAX_VALUE，可視為無界）阻塞隊列。
  • 容量限制：可以指定隊列的容量，但如果不指定，則默認為Integer的最大值，幾乎可以認為是無界的。
  • 性能：入隊和出隊操作的時間復雜度為O(1)，但由于是鏈表結構，實際性能可能會略低于ArrayBlockingQueue。
  • 使用場景：適用于任務量較大，但不想或不需要限制隊列大小的場景。

• SynchronousQueue（同步單元素隊列）

  • 特點：一個不存儲元素的阻塞隊列，也就是說它的容量為1。
  • 容量限制：只能存儲一個元素，如果隊列中有元素，則新提交的任務可以直接獲取執行，否則需要等待其他線程執行完任務后，騰出空間才能繼續。
  • 性能：入隊和出隊操作的時間復雜度接近O(1)，但由于其特殊的特性，線程間的交互更為頻繁，可能導致更高的線程調度開銷。
  • 使用場景：適用于線程池中的線程數量與任務數量大致相等，且任務執行時間較短的場景。

• PriorityBlockingQueue（具有優先級的隊列）

  • 特點：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。
  • 容量限制：默認是無界的，可以存儲任意數量的任務。
  • 優先級：隊列中的元素按照它們的自然排序或者通過提供的Comparator進行排序，優先級高的任務將優先被執行。
  • 性能：由于需要排序，入隊和出隊操作的時間復雜度可能會高于O(1)。
  • 使用場景：適用于需要按照優先級執行任務的場景，例如，某些重要或緊急的任務需要優先得到處理。

ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用較少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。線程池的排隊策略與BlockingQueue有關。

threadFactory

線程工廠，主要用來創建線程的工廠實現類。

public interface ThreadFactory {/*** Constructs a new {@code Thread}.  Implementations may also initialize* priority, name, daemon status, {@code ThreadGroup}, etc.** @param r a runnable to be executed by new thread instance* @return constructed thread, or {@code null} if the request to*         create a thread is rejected*/Thread newThread(Runnable r);
}

handler

表示當拒絕處理任務時的策略，有以下四種取值：

接口繼承關系鏈

總結與展望