Java之线程池

Java线程池是Java并发编程中管理多线程的核心机制，它解决了频繁创建和销毁线程带来的性能开销问题，提供了一种限制和管理资源（包括线程）的高效方式。主要由java.util.concurrent包中的ExecutorService接口及其实现类（尤其是ThreadPoolExecutor）支持。
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核心组成部分和工作原理

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1.​核心概念:

• ​任务 (Runnable / Callable)​: 需要在线程中执行的代码单元。Runnable不返回结果，Callable可以返回结果。
• ​工作线程 (Worker Threads)​: 线程池中实际执行任务的线程。
• ​任务队列 (BlockingQueue)​: 用于存放尚未被执行的任务。当所有工作线程都忙时，新提交的任务会进入此队列等待。
• ​线程池对象 (ThreadPoolExecutor / ScheduledThreadPoolExecutor)​: 负责创建、管理线程，接收提交的任务，分配任务给线程执行，并处理拒绝策略。
  2.​线程池的核心参数 (ThreadPoolExecutor构造函数)​:
• corePoolSize (核心线程数): 线程池长期保持的线程数量。即使这些线程空闲，也不会被销毁（除非设置allowCoreThreadTimeOut(true)）。
• maximumPoolSize (最大线程数): 线程池允许创建的最大线程数量。
• keepAliveTime (空闲线程存活时间): 当线程数超过corePoolSize时，空闲线程在多长时间后会被终止销毁。
• unit (时间单位): keepAliveTime的时间单位（毫秒、秒、分钟等）。
• workQueue (任务队列): 存放待执行任务的阻塞队列。常用队列：
• ArrayBlockingQueue: 有界队列，基于数组。
• LinkedBlockingQueue: 通常用作无界队列（默认Integer.MAX_VALUE，但有内存溢出风险），也可指定界限。Executors.newFixedThreadPool使用此队列。
• SynchronousQueue: 不存储元素的队列。每个插入操作必须等待一个对应的移除操作。Executors.newCachedThreadPool使用此队列。
• PriorityBlockingQueue: 带优先级的无界队列。
• threadFactory (线程工厂): 用于创建新线程的工厂。可以自定义线程名、优先级、守护状态等。
• handler (拒绝策略): 当任务队列已满且线程数已达maximumPoolSize时，处理新提交的任务的策略。JDK内置策略：
• AbortPolicy ​​(默认)​: 直接抛出RejectedExecutionException异常。
• CallerRunsPolicy: 由提交任务的线程（调用execute方法的线程）自己执行该任务（比如主线程）。
• DiscardPolicy: 直接丢弃新提交的任务，没有任何通知。
• DiscardOldestPolicy: 丢弃任务队列中最旧的一个任务，然后尝试提交新任务。
  3.​任务提交与执行流程 (execute()方法)​​：
  a.提交任务。
  b.如果当前运行的线程数 ​少于​ corePoolSize，则立即创建新线程来执行任务。
  c.如果运行的线程数等于或超过​ corePoolSize，则尝试将任务放入任务队列。
  d.如果任务队列已满​：
• 检查当前运行的线程数是否小于​ maximumPoolSize。如果小于，则创建新线程立即执行这个新任务。
• 如果当前运行的线程数已达到或等于​ maximumPoolSize，则触发拒绝策略。
  e.当一个线程完成任务时，它会从队列中取出下一个任务来执行。
  f.如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，并且当前线程数大于​ corePoolSize，则终止该线程。
  ​Java提供的常用线程池（通过Executors工厂类创建）:​​
  1.​FixedThreadPool:
• Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)
• ​核心线程数 = 最大线程数 = nThreads。
• 使用一个无界队列​ (LinkedBlockingQueue)。
• ​适用场景​：任务量已知，需要控制并发线程数量，负载较重的服务器。
• ​风险​：无界队列可能导致内存溢出(OOM)​​（任务无限堆积）。
  2.​CachedThreadPool:
• Executors.newCachedThreadPool()
• ​核心线程数 = 0。
• ​最大线程数 = Integer.MAX_VALUE​（理论上无限创建线程）。
• 使用SynchronousQueue。
• ​空闲线程存活时间 = 60秒。
• ​适用场景​：大量短期异步任务，如处理大量HTTP请求。
• ​风险​：​线程数量失控​（任务过多时大量创建线程消耗资源，可能导致OOM）。对线程数量需要有上限的场景不适用。
  3.​SingleThreadExecutor:
• Executors.newSingleThreadExecutor()
• ​核心线程数 = 最大线程数 = 1。
• 使用一个无界队列​ (LinkedBlockingQueue)。
• ​适用场景​：保证所有任务按提交顺序在一个线程中执行，不需要并行。
• ​风险​：同FixedThreadPool，无界队列可能导致OOM。
  4.​ScheduledThreadPool / SingleThreadScheduledExecutor:
• Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
• Executors.newSingleThreadScheduledExecutor()
• 基于ScheduledThreadPoolExecutor。
• ​适用场景​：执行定时任务或周期性任务。
• 使用延迟队列​（通常是DelayedWorkQueue）。
• SingleThreadScheduledExecutor保证顺序执行。
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重要方法和最佳实践

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1.​方法:

• void execute(Runnable command): 提交一个不需要返回值的任务。
• Future submit(Callable task): 提交一个有返回值的任务。
• Future submit(Runnable task, T result): 提交一个Runnable任务并指定一个结果（通常用于占位）。
• void shutdown(): 平滑关闭线程池。停止接收新任务，等待已提交任务执行完成（包括队列中的任务）。
• List shutdownNow(): 尝试立即停止所有正在执行的任务（通过Thread.interrupt()，​但任务不保证能停止），暂停处理队列任务，返回等待执行的任务列表。
• boolean isShutdown(): 检查是否已调用shutdown或shutdownNow。
• boolean isTerminated(): 检查所有任务是否都已终止（执行完成）。
• boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException: 等待一段时间，让线程池关闭并完成剩余任务。
  2.​最佳实践:
• ​手动创建ThreadPoolExecutor​：​强烈推荐使用new ThreadPoolExecutor(…)手动配置参数，而不是依赖于Executors工厂方法（如newFixedThreadPool, newCachedThreadPool）。这样可以更清晰地了解队列大小限制等关键配置，避免OOM风险。
• ​合理配置参数:
• ​CPU密集型任务：​线程数 ≈ CPU核心数​ (Runtime.getRuntime().availableProcessors())，避免过多线程上下文切换。通常设置为 N_cpu + 1。
• ​IO密集型任务（如大量数据库、网络请求）：由于线程会阻塞在IO上，​线程数可以设置得更大，如 2 * N_cpu，或者根据具体的IO等待时间调整。目标是尽量压榨CPU，避免CPU空闲。
• ​使用有界队列并设置合理的拒绝策略​：防止任务无限堆积导致OOM。选择合适的拒绝策略，根据业务场景决定是记录日志、丢弃部分任务还是回退。
• ​命名线程 (使用自定义ThreadFactory)​​：设置易于识别的线程名称（如myapp-pool-1-thread-1），方便调试和监控。
• ​不要忘记关闭线程池​：应用程序退出时，通过shutdown或shutdownNow关闭线程池。
• ​避免在任务中抛出未捕获异常​：未捕获异常会导致执行该任务的线程终止。可以在Runnable.run()方法内部使用try-catch，或者通过Thread.UncaughtExceptionHandler处理。
  ​总结：​​
  Java线程池是管理并发任务执行的强大工具。理解其核心参数（corePoolSize, maximumPoolSize, workQueue, handler）和工作流程是高效、安全使用线程池的关键。​强烈建议手动创建ThreadPoolExecutor实例，根据具体任务性质（CPU密集型/IO密集型）、系统资源和可容忍的队列延迟需求，仔细配置这些参数，并为队列设置合理的界限和拒绝策略，以防止资源耗尽。Executors工厂类创建的预定义线程池虽方便，但存在显著缺陷（主要是无界队列或无限线程数），在生产环境中应谨慎使用或避免使用。

核心关闭方法

1.​**shutdown()**​ (安全关闭)

• ​功能:
• 停止接受新的任务。
• 继续执行已经提交的任务​（包括正在运行的任务和队列中等待的任务），直到所有已提交任务完成。
• ​特点:
• 优雅、安全地关闭线程池。
• 调用后，尝试提交新任务会触发 RejectedExecutionException（取决于配置的拒绝策略，默认为 AbortPolicy）。
• ​不会中断正在执行的任务。任务会运行到正常结束。
• ​使用场景​：当你希望确保所有已提交任务都完成后再关闭线程池时使用。
  2.​**shutdownNow()**​ (立即关闭)
• ​功能:
• 尝试停止所有正在执行的任务（通过向工作线程调用 Thread.interrupt() 方法）。
• 停止处理队列中等待的任务。
• ​返回​ 一个 List，其中包含队列中被丢弃的、尚未执行的任务。
• ​特点:
• 更激进地尝试立即停止线程池。
• 调用后，尝试提交新任务会触发 RejectedExecutionException。
• ​核心在于 interrupt(): 它只是向工作线程发送中断信号。​任务是否真的能被停止，取决于任务本身对中断信号 (InterruptedException / Thread.interrupted()) 的响应性。如果任务是纯计算型或忽略了中断，它可能不会被中断。
• ​使用场景​：当你需要尽快关闭线程池，即使有些任务未完成也没关系，或者需要获取未执行的任务列表时使用（如需要将这些任务保存下来后续处理）。

配合使用的辅助方法

为了更有效地控制关闭过程，常与上述方法配合使用：
1.​**isShutdown()**​

• ​功能​：返回 boolean，表示是否已经调用了 shutdown() 或 shutdownNow() 方法。调用后立即返回 true，无论线程池中的任务是否已经执行完毕。
• ​用途​：检查线程池是否已经开始关闭过程。
  2.​**isTerminated()**​
• ​功能​：返回 boolean，表示所有任务是否都已执行完毕且所有工作线程都已关闭​（即线程池已经完全终止）。仅在调用 shutdown() 或 shutdownNow() ​之后才可能返回 true。
• ​用途​：检查线程池是否已经完全停止，没有剩余任务或线程。
  3.​**awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)**​ (常用！)
• ​功能​：
• 阻塞调用此方法的线程。
• 阻塞直到发生以下情况之一：
• 所有任务执行完毕且所有线程关闭（即线程池 terminated） -> 返回 true。
• 超过指定的 timeout 时间 -> 返回 false。
• 当前线程在等待期间被中断 -> 抛出 InterruptedException。
• ​参数​：
• timeout: 等待的最大时间。
• unit: timeout 的时间单位（如 TimeUnit.SECONDS）。
• ​用途​：在使用 shutdown() 或 shutdownNow() ​之后，调用此方法可以主动等待线程池完全关闭一段时间。如果返回 false 表示超时，你可以决定是否继续等待或执行其他操作（如强制退出、记录警告等）。这是实现优雅关闭的关键方法。
  最佳实践：关闭线程池的标准流程
  java运行复制ExecutorService executor = …; // 获取你的 ThreadPoolExecutor 实例

// 1. 停止接受新任务
executor.shutdown(); // 或者 executor.shutdownNow(); 取决于需求

try {
// 2. 等待一段时间让已提交任务完成 (这里使用 awaitTermination)
if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
// 3. 如果超时还没终止完，可以选择强制关闭（shutdownNow）或记录警告/清理
executor.shutdownNow(); // 尝试立即停止剩余任务
// 4. （可选）再等待一小段时间强制停止后收尾
if (!executor.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS)) {
System.err.println(“线程池未能完全终止!”);
}
}
} catch (InterruptedException ie) {
// 5. 处理中断：立即强制停止
executor.shutdownNow();
// 6. 恢复中断状态（保持中断信息）
Thread.currentThread().interrupt();
}

关键要点总结

• ​安全首选：​​ 通常优先使用 shutdown() + awaitTermination() 组合实现优雅关闭。
• ​强制手段：​​ 当需要快速关闭或优雅关闭超时时，使用 shutdownNow()。
• ​任务中断：​​ shutdownNow() 的有效性依赖于你的任务代码能正确响应中断​（即周期性地检查中断状态或在可能阻塞的操作中捕获 InterruptedException）。
• ​资源释放：​​ 无论使用哪种关闭方法，关闭后都应避免再次使用该线程池实例（提交新任务将触发异常）。成功关闭后，线程池会释放资源。