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  • Java中的线程池

    线程池

    java.util.concurrent.ExecutorService 表述了异步执行的机制，并且可以让任务在后台执行。ExecutorService是一个接口，继承了Executor接口。Executor接口只包含了一个方法：void execute(Runnable command);，该方法接收一个 Runable 实例，它用来执行一个任务，任务即一个实现了 Runnable 接口的类。jdk默认提供了四种线程池供我们使用。

    大体的继承结构如下:

    一、线程池的状态

    ThreadPoolExecutor 使用 int 的高 3 位来表示线程池状态，低 29 位表示线程数量

    image-20201018204822162

    状态名 高三位 接受新任务 处理阻塞队列任务 说明
    RUNNING 111 是 是 线程池处在RUNNING状态时，能够接收新任务，以及对已添加的任务进行处理。
    SHUTDOWN 000 否 是 不会接收新任务，但会处理阻塞队列剩余任务(调用shutdown()方法)
    STOP 001 否 否 会中断正在执行的任务，并抛弃阻塞队列任务(调用shutdownNow()方法)
    TIDYING 010 - - 任务全执行完毕，活动线程为 0 即将进入终结
    TERMINATED 011 - - 终结状态

    从数字上比较，TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING，因为最高位表示符号位，这些信息存储在一个原子变量 ctl 中，目的是将线程池状态与线程个数合二为一，这样就可以用一次 cas 原子操作进行赋值。

    状态转换图如下:

    二、ThreadPoolExecutor构造方法

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

    • corePoolSize： 核心线程数目 (最多保留的线程数)，线程池中会维护一个最小的线程数量，即使这些线程处理空闲状态，他们也不会 被销毁，除非设置了allowCoreThreadTimeOut。这里的最小线程数量即是corePoolSize。

    • maximumPoolSize ：最大线程数目，一个任务被提交到线程池以后，首先会找有没有空闲存活线程，如果有则直接执行，如果没有则会缓存到工作队列中，如果工作队列满了，才会创建一个新线程(这就是救急线程)，然后从工作队列的头部取出一个任务交由新线程来处理，而将刚提交的任务放入工作队列尾部。线程池不会无限制的去创建救急线程，它会有一个最大线程数量的限制，这个数量即由maximunPoolSize的数量减去corePoolSize的数量来确定，最多能达到maximunPoolSize即最大线程池线程数量。

    • keepAliveTime ：生存时间 - 针对救急线程

    • unit： 时间单位 - 针对救急线程

    • workQueue ：新任务被提交后，如果没有空闲的核心线程就会先进入到此工作队列中，任务调度时再从队列中取出任务。jdk中常见的任务队列：

      ①ArrayBlockingQueue

      基于数组的有界阻塞队列，按FIFO排序。有界的数组可以防止资源耗尽问题。当线程池中线程数量达到corePoolSize后，再有新任务进来，则会将任务放入该队列的队尾，等待被调度。如果队列已经是满的，则创建一个新线程，如果线程数量已经达到maxPoolSize，则会执行拒绝策略。

      ②LinkedBlockingQuene

      基于链表的无界阻塞队列（其实最大容量为Interger.MAX），按照FIFO排序。由于该队列的近似无界性，当线程池中线程数量达到corePoolSize后，再有新任务进来，会一直存入该队列，而不会去创建新线程直到maxPoolSize，因此使用该工作队列时，参数maxPoolSize其实是不起作用的。

      ③SynchronousQuene

      一个不缓存任务的阻塞队列，生产者放入一个任务必须等到消费者取出这个任务。也就是说新任务进来时，不会缓存，而是直接被调度执行该任务，如果没有可用线程，则创建新线程，如果线程数量达到maxPoolSize，则执行拒绝策略。

      ④PriorityBlockingQueue

      具有优先级的无界阻塞队列，优先级通过参数Comparator实现。

    • threadFactory ：线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字

    • handler： 拒绝策略

      ​ 如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现：

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      • AbortPolicy策略：抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认策略

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      • CallerRunsPolicy策略： 在调用者线程中直接执行被拒绝任务的run方法，除非线程池已经shutdown，则直接抛弃任务。

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      • DiscardPolicy策略： 放弃本次任务

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      • DiscardOldestPolicy策略： 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之

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    三、四种线程池

    Executors提供了一系列工厂方法用于创先线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

    1. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) ： 创建固定数目线程的线程池。

       public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

      特点:

      • 核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需超时时间。
      • 阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务
      • 适用于任务量已知，相对耗时的任务

    2. public static ExecutorService newCachedThreadPool()：创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线 程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

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

      特点：

      • 核心线程数是 0， 最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，意味着全部都是救急线程（60s 后可以回收）

      • 队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）

      • 救急线程可以无限创建。

      • 整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲 1分钟后释放线

        程。 适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

    3. public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()： 创建一个单线程化的Executor。

        public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

      特点：

      • 自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一个线程，保证池的正常工作

      • 相较于其它三种线程池，newSingleThreadExecutor()创建的是FinalizableDelegatedExecutorService对象，其应用的是装饰者模式 应用的是装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，因此不能调用 ThreadPoolExecutor 中特有的方法。FinalizableDelegatedExecutorService继承自DelegatedExecutorService中的方法都是调用ExecutorService 接口的方法

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      • 适用于希望多个任务排队执行。线程数固定为 1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这唯一的线程也不会被释放。

    4. public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)： 创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

       public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }

 public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

      ScheduledExecutorService接口的方法

      /**
*指定延迟时间后执行
*/
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);

public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);

/**
*scheduleAtFixedRate ，是以上一个任务开始的时间计时，period时间过去后，检测上一个任务是否执行完毕，如果上一个任务执行完*
毕，则当前任务立即执行，如果上一个任务没有执行完毕，则需要等上一个任务执行完毕后立即执行。
*/
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);
/**
*scheduleWithFixedDelay，是以上一个任务结束时开始计时，period时间过去后，立即执行。
*/
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

    四、ExecutorService的常用方法

    // 执行任务
void execute(Runnable command);

// 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

// 提交 tasks 中所有任务，会阻塞，必须等待所有的任务执行完成后统一返回结果
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务，带超时时间，这里的超时时间是针对的所有tasks，而不是单个task的超时时间。同样会阻塞，会堵塞，必须等待所有的任务执行完成后统一返回。但是如果超时，会取消没有执行完的所有任务，并抛出超时异常
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，会阻塞，直到返回结果
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;

// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间，直到返回结果，取消没有执行完的所有任务，并抛出超时异常
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;


/*
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 不会中断当前运行的线程
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
void shutdown();


/*
线程池状态变为 STOP
- 不会接收新任务
- 会将队列中的任务返回
- 并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务
*/
List<Runnable> shutdownNow()
    
// 不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
boolean isShutdown();


// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();


// 调用 shutdown 后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事
//情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
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