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（七）多线程：线程池

系统启动一个新线程的成本时比较高的，因为它涉及于操作系统交涉。在这种情形下，使用线程池可以很好地提高性能，尤其是当程序中需要创建大量生存期限很短的线程时，更应该考虑使用线程池。
与数据库连接池类似的是，线程池在启动时即创建大量空闲的线程，程序将一个Runnable对像或Callable对象传给线程池，线程池就会启动一个线程来执行他们的run()或call()方法，放run()或call()方法执行结束后，该线程并不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态，等待执行下一个Runnable对象的run()或call()方法。
除此之外，使用线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量，当系统中包含大量并发线程时，会导致系统性能急剧下降，甚至导致JVM崩溃，而线程池的最大线程数参数可以控制系统中并发线程数不超过此数。

1.Java8改进的线程池

在Java5以前，开发者必须手动实现自己的线程池；从Java5开始，Java内建支持线程池。Java5新增了一个Executors工厂类来产生线程池，该工厂类包含了如下几个静态工厂方法来创建线程池。

newCachedThreadPool()：创建一个具有缓存功能的线程池，系统根据需要创建线程，这些线程将会被缓存在线程池中。
newFixedThreadPool(int nThreads)：创建一个可重用的，具有固定线程数的线程池。
newSingleThreadExecutor()：创建一个只有单线程的线程池，它相当于调用newFixedThreadPool()方法时传入参数为1。
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建具有指定线程数的线程池，它可以在指定延迟后执行线程任务。corePoolSize指池中所保存的线程数，即使线程是空闲的也被保存在线程池内。
newSingleThreadScheduledExecutor()：创建只有一个线程的线程池，它可以在指定延迟后执行线程任务。
ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism)：创建持有足够的线程的线程池来支持给定的并行级别，该方法还会使用多个队列来减少竞争。
ExecutorService newWorkStealingPool()：该方法是前一个方法的简化版本。如果当前机器有四个CPU，则目标并行级别被设置为4，也就是相当于前一个方法传入4作为参数。

上面7个方法中前三个方法返回ExecutorService对象，该对象代表一个线程池，它可以执行Runnable对象或Callable对象所代表的线程；而中间两个方法返回一个ScheduledExecutorSerivce线程池，它是ExecutorService的子类，它可以在指定延迟后执行线程任务；最后两个方法则是Java8新增的，这两个方法可以充分利用多CPU并行能力。这两个方法生成的work stealing池，都相当于后台线程池，如果所有的前台线程都死亡了，work stealing 池中的线程会自动死亡。
由于目前计算机硬件的发展日新月异，即使普通用户的电脑通常也都是多核CPU，因此Java8在线程支持上也增加了利用多CPU并行的能力，这样可以更好地发挥底层硬件的性能。

ExecutorService代表尽快执行线程的线程池（只要线程池中有空闲线程，就立即执行线程任务），程序只要将一个Runnable对象或Callable对象（代表线程任务）提交给该线程池，该线程池会尽快执行该任务。ExecutorService里提供了如下三个方法。

Future<?> submit(Runnable task)：将一个Runnable对象提交给指定的线程池，线程池将在有空闲线程时执行Runnable对象代表的任务。其中Future对象代表Runnable任务的返回值——但run()方法没有返回值，所以Future对象将在run()方法执行结束后返回null()，但可以调用Future的isDone()，isCancelled()方法来获得Runnable对象的执行状态。
Future submit(Runnable task,T result)：将一个Runnable对象提交给指定的线程池，线程池将在有空闲线程时执行Runnable对象代表的任务，其中result显式指定线程执行结束后返回值，所以Future对象将在run()方法执行结束后返回result。
Future submit(Callable task)：将一个Callable对象提交给指定的线程池，线程池将在有空闲线程时执行Callable对象代表的任务。其中Future代表Callable对象里call()方法的返回值。

ScheduledExecutorService代表可在指定延迟后或周期性地执行线程任务的线程池，它提供如下4个方法。

ScheduledFuture schedule(Callable callable,long delay,TimeUnit unit)：指定callable任务将在delay延迟后执行。
ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay,TimeUnit unit)：指定command任务将在delay延迟后执行。
ScheduledFuture scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit)：指定command任务将在delay延迟后执行，而且以设定频率重复执行。也就是说在initialDelay 后开始执行，依次在 initialDelay+period，initialDelay+2*period···处重复执行，依此类推。
ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit)：创建并执行一个在给定初始延迟后首次启动的定期操作，随后在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。如果任务在任一次执行时遇到异常，就会取消后续执行；否则通过程序来显式取消或终止该任务。、

用完一个线程池后，应该调用该线程池的shutdown()方法，该方法将启动线程池的关闭序列，调用shutdown()方法后的线程池不再接受新任务，但会将以前所有已提交任务执行完成。当线程池中所有任务执行完成后，池中的所有线程都会死亡；另外也可以调用线程池的shutdownNow()方法来关闭线程池，改方法试图停止所有正在执行的活动任务，暂停处理正在等待的任务，并返回等待执行的任务列表。
使用线程池来执行线程任务的步骤如下：

调用Executors类的静态工厂方法来创建一个ExecutorService对象，该对象代表一个线程池。
创建Runnable实现类或Callable实现类的实例，作为线程执行任务。
调用ExecutorService对象的submit()方法来提交Runnable实例或Callable实例。
当不想提交任何任务时，调用ExecutorService对象的shutdown()方法来关闭线程池。

示例代码：

public class ThreadPoolTest {

   public static void main(String[] args) {

       //创建一个具有固定线程数的线程池
       ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(6);

       Runnable target = () -> {
           for (int i = 0; i < 10; i++) {
               System.out.println("t_name:" + Thread.currentThread().getName() + ",i:" + i);
           }
       };

       //向线程池中提交两个线程
       executorService.submit(target);
       executorService.submit(target);
       //关闭线程池
       executorService.shutdown();
   }
}

运行结果：

t_name:pool-1-thread-1,i:0
t_name:pool-1-thread-1,i:1
t_name:pool-1-thread-1,i:2
t_name:pool-1-thread-1,i:3
t_name:pool-1-thread-1,i:4
t_name:pool-1-thread-2,i:0
t_name:pool-1-thread-1,i:5
t_name:pool-1-thread-1,i:6
t_name:pool-1-thread-2,i:1
t_name:pool-1-thread-1,i:7
t_name:pool-1-thread-1,i:8
t_name:pool-1-thread-2,i:2
t_name:pool-1-thread-1,i:9
t_name:pool-1-thread-2,i:3
t_name:pool-1-thread-2,i:4
t_name:pool-1-thread-2,i:5
t_name:pool-1-thread-2,i:6
t_name:pool-1-thread-2,i:7
t_name:pool-1-thread-2,i:8
t_name:pool-1-thread-2,i:9

注意：创建了Runnable实现类之后程序没有直接创建线程，启动线程来执行该Runnable任务，而是通过线程池来执行该任务。

2.Java8增强的ForkJoinPool

为了充分利用CPU，多核CPU的性能优势，计算机软件系统可以充分“挖掘”每个CPU的计算能力，绝不能让某个CPU处于“空闲”状态。为了充分利用多CPU，多核CPU的优势，可以考虑把一个任务拆分成多个“小任务”，把多个“小任务”放在多个处理器核心上并行执行；当多个“小任务”执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可。
Java7提供了ForkJoinPool来支持将一个任务拆分成多个“小任务”并行计算，再把多个“小任务”的结果合并成总的计算结果。ForkJoinPool是ExecutorService的实现类，因此是一种特殊的线程池。ForkJoinPool提供了如下两个常用的构造器。

ForkJoinPool(int parallelism)：创建一个包含parallelism个并行线程的ForkJoinPool。
ForkJoinPool()：以Runtime.availableProcessors()方法的返回值作为parallelism参数来创建ForkJoinPool。

Java8进一步扩展了ForkJoinPool的功能，Java8为ForkJoinPool增加了通用池功能。ForkJoinPool类通过如下两个静态方法提供通用池功能。

ForkJoinPool commonPool()：改方法返回一个通用池，通用池的运行状态不会受shutdown()或shutdownNow()方法的影响。当然，如果程序直接执行System.exit(0)；来终止虚拟机，通用池以及通用池中正在执行的任务都将会被自动终止。
int getCommonPoolParallelism()：该方法返回通用池的并行级别。

创建了ForkJoinPool实例后，就可以调用ForkJoinPool的submit(ForkJoinTask task)或invoke(ForkJoinTask task)方法来执行指定任务了，其中ForkJoinTask代表一个可以并行，合并的任务。ForkJoinTask 是一个抽象类，它还有两个抽象子类：RecursiveAction和RecursiveTask。其中RecursiveTask代表有返回值的任务，而RecursiveAction代表没有返回值的任务。

下面以执行没有返回值的“大任务”(简单地打印0-300的数值)为例，程序将一个“大任务”拆分成多个“小任务”，并将任务交给ForkJoinPool来执行：

public class PrintTask extends RecursiveAction {

   //每个“小任务最多打印50个数”
   private static final int THRESHOLD = 50;

   private int start;

   private int end;

   public PrintTask(int start, int end) {
       this.start = start;
       this.end = end;
   }

   @Override
   protected void compute() {
       if (end - start < THRESHOLD) {
           for (int i = start; i < end; i++) {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "的i值:" + i);
           }
       } else {
           //当end与start之间的差值大于THRESHOLD，即要打印的数超过50个时
           //将大任务分解成两个“小任务”
           int middle = (start + end) / 2;
           PrintTask left = new PrintTask(start, middle);
           PrintTask right = new PrintTask(middle, end);
           //并行执行两个“小任务”
           left.fork();
           right.fork();
       }
   }
}

public class ForkJoinPoolTest {

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

       ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

       //提交可分解的PrintTask任务
       pool.submit(new PrintTask(1, 300));
       pool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
       //关闭线程池
       pool.shutdown();
   }
}

运行结果：

ForkJoinPool-1-worker-2的i值:112
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:113
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:114
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:38
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:150
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:262
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:187
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:263
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:151
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:152
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:39
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:115
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:40
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:153
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:1
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:75
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:264
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:225
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:188
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:226
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:265
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:76
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:2
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:3
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:154
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:41
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:116
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:117
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:118
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:119
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:120
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:121
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:42
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:155
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:4
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:5
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:6
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:77
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:266
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:227
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:189
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:190
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:191
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:228
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:267
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:78
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:7
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:8
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:156
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ForkJoinPool-1-worker-2的i值:122
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ForkJoinPool-1-worker-6的i值:157
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:9
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ForkJoinPool-1-worker-4的i值:48
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ForkJoinPool-1-worker-5的i值:82
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:272
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ForkJoinPool-1-worker-4的i值:50
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ForkJoinPool-1-worker-0的i值:13
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:273
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ForkJoinPool-1-worker-7的i值:238
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:239
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ForkJoinPool-1-worker-7的i值:241
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ForkJoinPool-1-worker-7的i值:243
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:244
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:245
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:246
ForkJoinPool-1-worker-7的i值:247
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:84
ForkJoinPool-1-worker-1的i值:274
ForkJoinPool-1-worker-0的i值:14
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:162
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ForkJoinPool-1-worker-2的i值:126
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:127
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:128
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:129
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:52
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:163
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:164
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:165
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:166
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:167
ForkJoinPool-1-worker-6的i值:168
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ForkJoinPool-1-worker-0的i值:24
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ForkJoinPool-1-worker-0的i值:32
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ForkJoinPool-1-worker-1的i值:283
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ForkJoinPool-1-worker-3的i值:212
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:98
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ForkJoinPool-1-worker-1的i值:289
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ForkJoinPool-1-worker-3的i值:217
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ForkJoinPool-1-worker-5的i值:110
ForkJoinPool-1-worker-5的i值:111
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ForkJoinPool-1-worker-2的i值:146
ForkJoinPool-1-worker-2的i值:147
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ForkJoinPool-1-worker-3的i值:220
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:70
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:221
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:222
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:223
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:71
ForkJoinPool-1-worker-3的i值:224
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:72
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:73
ForkJoinPool-1-worker-4的i值:74

如果大任务时有返回值的任务，则可以让任务继承RecursiveTask<T>，其中泛型参数T就代表了改任务的返回值类型。代码示例省略。

文章内容均取自《疯狂Java讲义-李刚》一书中多线程章节。截取重要知识点作为笔记记录，方便自己回顾。

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