[Java知识库]深耕Java多线程 - 什么是线程池？优点？线程池有哪几种创建方式？

问题思考：

1、什么是线程池？
2、线程池有什么优点？
3、线程池有哪几种创建方式？
4、Executors和ThreaPoolExecutor创建线程池的区别？
5、你知道怎么创建线程池吗？

1. 线程池有什么优点？

Java高并发应用频繁创建和销毁线程的操作是非常低效的，而且是不被编程规范所允许的。如何降低Java线程的创建成本？必须使用到线程池。线程池主要解决了以下两个问题：

（1）提升性能：线程池能独立负责线程的创建、维护和分配。在执行大量异步任务时，可以不需要自己创建线程，而是将任务交给线程池去调度。线程池能尽可能使用空闲的线程去执行异步任务，最大限度地对已经创建的线程进行复用，使得性能提升明显。

（2）线程管理：每个Java线程池会保持一些基本的线程统计信息，例如完成的任务数量、空闲时间等，以便对线程进行有效管理，使得能对所接收到的异步任务进行高效调度。

在主要大厂的编程规范中，不允许在应用中自行显式地创建线程，线程必须通过线程池提供。由于创建和销毁线程需要时间以及系统资源开销，使用线程池的好处是减少这些开销，解决资源不足的问题。

2. 什么是线程池？

在多线程编程中，任务都是一些抽象且离散的工作单元，而线程是使任务异步执行的基本机制。随着应用的扩张，线程和任务管理也变得非常复杂。为了简化这些复杂的线程管理模式，我们需要一个“管理者”来统一管理线程及任务分配，这就是线程池。

在JUC中有关线程池的类与接口的架构图大致如图：

1. Executor

Executor是Java异步目标任务的“执行者”接口，其目标是执行目标任务。“执行者”Executor提供了execute()方法来执行已提交的Runnable执行目标实例。它只包含一个函数式方法：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

2. ExecutorService

ExecutorService继承于Executor，ExecutorService提供了“接收异步任务并转交给执行者”的方法，如submit系列方法、invoke系列方法等，具体如下：

public interface ExecutorService extends Executor {
	// 向线程池提交单个异步任务
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    Future<?> submit(Runnable task);
    
	// 向线程池提交批量异步任务
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;
    // 其他方法.....
}

3. AbstractExecutorService

AbstractExecutorService是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口。AbstractExecutorService存在的目的是为ExecutorService中的接口提供默认实现。

4. ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor就是大名鼎鼎的“线程池”实现类，它继承于AbstractExecutorService抽象类。ThreadPoolExecutor是JUC线程池的核心实现类。线程的创建和终止需要很大的开销，线程池中预先提供了指定数量的可重用线程，所以使用线程池会节省系统资源，并且每个线程池都维护了一些基础的数据统计，方便线程的管理和监控。

5. ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService是一个接口，它继承于ExecutorService。它是一个可以完成“延时”和“周期性”任务的调度线程池接口，其功能和Timer/TimerTask类似。

6. ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承于ThreadPoolExecutor，它提供了ScheduledExecutorService线程池接口中“延时执行”和“周期执行”等抽象调度方法的具体实现。ScheduledThreadPoolExecutor类似于Timer，但是在高并发程序中，ScheduledThreadPoolExecutor的性能要优于Timer。

7. Executors

Executors是一个静态工厂类，它通过静态工厂方法返回ExecutorService、ScheduledExecutorService等线程池示例对象，这些静态工厂方法可以理解为一些快捷的创建线程池的方法。

3. Executors的4种快捷创建线程池的方法

Java通过Executors工厂类提供了4种快捷创建线程池的方法：

public class Executors {
    // 创建只有一个线程的线程池
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        // 底层调用了ThreadPoolExecutor的构造方法
        return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }
    
    // 创建固定大小的线程池
    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
        // 底层调用了ThreadPoolExecutor的构造方法
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }
       
    // 创建一个不限制线程数量的线程池，任何提交的任务都将立即执行，但是空闲线程会得到及时回收
    public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        // 底层调用了ThreadPoolExecutor的构造方法
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }
	
    // 创建一个可定期或者延时执行任务的线程池
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        // 底层调用了ScheduledThreadPoolExecutor的构造方法
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }
}

以上为Executors中4个主要的快捷创建线程池的方法。为何JUC要提供工厂方法呢？原因是使用ThreadPoolExecutor ScheduledThreadPoolExecutor构造器创建普通线程池、可调度线程池比较复杂，这些构造器会涉及大量的复杂参数。尽管Executors的工厂方法使用方便，但是在生产场景中被很多企业（尤其是大厂）的开发规范所禁用。

4. 线程池的标准创建方式

大部分企业的开发规范都会禁止使用快捷线程池，要求通过标准构造器ThreadPoolExecutor去构造工作线程池。Executors工厂类中创建线程池的快捷工厂方法实际上是调用ThreadPoolExecutor（定时任务使用ScheduledThreadPoolExecutor）线程池的构造方法完成的。

ThreadPoolExecutor构造方法有多个重载版本，其中一个比较重要的构造器如下：

/**
 * 使用标准构造器构造一个普通的线程池
 *
 * @param corePoolSize  核心线程数，即使线程空闲，也不会回收
 * @param maximumPoolSize  线程数的上限（最大线程数）
 * @param keepAliveTime  线程最大空闲时间（线程的生存时间）
 * @param unit 时间单位
 * @param workQueue 任务的排队队列
 * @param threadFactory 新线程的产生方式
 * @param handler 拒绝策略
 */
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

很无奈，构造一个线程池竟然有7个参数，但是确实需要这么多参数。

1. 核心和最大线程数量

参数corePoolSize用于设置核心线程池数量，参数maximumPoolSize用于设置最大线程数量。线程池执行器将会根据corePoolSize和maximumPoolSize自动维护线程池中的工作线程，大致规则为：

（1）当在线程池接收到新任务，并且当前工作线程数少于corePoolSize时，即使其他工作线程处于空闲状态，也会创建一个新线程来处理该请求，直到线程数达到corePoolSize。

（2）如果当前工作线程数多于corePoolSize数量，但小于maximumPoolSize数量，那么仅当任务排队队列已满时才会创建新线程。通过设置corePoolSize和maximumPoolSize相同，可以创建一个固定大小的线程池。

（3）当maximumPoolSize被设置为无界值（如Integer.MAX_VALUE）时，线程池可以接收任意数量的并发任务。

（4）corePoolSize和maximumPoolSize不仅能在线程池构造时设置，也可以调用setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()两个方法进行动态更改。

2. BlockingQueue

BlockingQueue（阻塞队列）的实例用于暂存接收到的异步任务，如果线程池的核心线程都在忙，那么所接收到的目标任务缓存在阻塞队列中。

3. keepAliveTime

线程构造器的keepAliveTime（空闲线程存活时间）参数用于设置池内线程最大Idle（空闲）时长，如果超过这个时间，默认情况下Idle、非Core线程会被回收。

如果池在使用过程中提交任务的频率变高，也可以调用方法setKeepAliveTime(long，TimeUnit)进行线程存活时间的动态调整，可以将时长延长。如果需要防止Idle线程被终止，可以将Idle时间设置为无限大，具体如下：

setKeepAliveTime(Long.MAX_VALUE,TimeUnit.NANOSECONDS);

默认情况下，Idle超时策略仅适用于存在超过corePoolSize线程的情况。但若调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，并且传入了参数true，则keepAliveTime参数所设置的Idle超时策略也将被应用于核心线程。