【Java】一文看懂Thread 线程池的 7 种创建方式、任务队列及自定义线程池（代码示例）

本文摘要：【Java】Thread 线程池的 7 种创建方式及自定义线程池（代码示例版）

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前言

Java线程池是提高应用性能的关键组件。线程池通过预先创建并管理一组线程，可以显著减少因频繁创建和销毁线程而产生的资源消耗。本文将探讨Java线程池的基本概念、创建方法以及最佳实践。

需要注意的是，【强制】线程池不允许使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

Executors 返回的线程池对象的弊端如下：
1） FixedThreadPool 和 SingleThreadPool：允许的请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致 OOM。
2）CachedThreadPool：允许的创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致 OOM。

一般情况下，推荐使用 ThreadPoolExecutor 的方式进行线程池的创建，因为这种创建方式更可控，并且更加明确了线程池的运行规则，可以规避一些未知的风险。

1.线程池介绍

线程池（ThreadPool）是一种资源管理策略，它通过复用线程来降低资源消耗、提高响应速度，并增强线程管理的可操作性。线程池预分配一定数量的线程，当任务到来时，线程池会分配现有线程去执行任务，而不是每次都创建新的线程。

线程池的优点如下：
资源节约：通过复用线程，减少了线程创建和销毁的开销。
性能提升：任务可以快速启动，因为线程已经存在。
管理增强：线程池提供了更多的控制，如线程数量、任务队列等。

2.线程池创建的方式

Java中创建线程池主要有两大类方法：

使用ThreadPoolExecutor直接创建：提供了最大的灵活性和控制力。
使用Executors工厂方法创建：提供了多种快捷方式来创建常见的线程池类型。

2.1 ThreadPoolExecutor的详细配置

ThreadPoolExecutor是最灵活的线程池创建方式，允许开发者自定义线程池的各项参数：

核心线程数：线程池中始终存活的线程数。
最大线程数：线程池中允许的最大线程数。
存活时间：非核心线程在没有任务执行时的存活时间。
时间单位：与存活时间配合使用的时间单位。
工作队列：存储等待执行任务的阻塞队列。
线程工厂：用于创建新线程的工厂。
拒绝策略：当任务太多无法处理时的策略。

2.2 Executors提供的快捷创建方法

Executors类提供了一些快捷方法来创建特定类型的线程池：

FixedThreadPool：固定大小的线程池。
CachedThreadPool：可缓存的线程池，会根据需要创建新线程。
SingleThreadExecutor：单个线程的线程池，保证任务顺序执行。
ScheduledThreadPool：可以执行定时任务的线程池。
WorkStealingPool：JDK 1.8新增，任务被多个线程池线程抢占执行。

3.线程池使用场景

FixedThreadPool适用于需要固定数量线程执行任务的场景。
CachedThreadPool适合处理大量短期异步任务。
SingleThreadExecutor保证任务按照提交的顺序执行。
ScheduledThreadPool适合需要定时或周期性执行任务的场景。

4.最佳代码实践

4.1 ThreadPoolExecutor

public class ThreadPoolExecutorTest {public static void main(String[] args) {ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 100, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(10));// 执行任务for (int i = 0; i < 10; i++) {final int index = i;threadPool.execute(() -> {System.out.println(index + " 被执行,线程名:" + Thread.currentThread().getName());try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}}
}

可以设置7个参数

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

• corePoolSize：核心线程数，线程池中始终存活的线程数。
• maximumPoolSize：最大线程数，线程池中允许的最大线程数，当线程池的任务队列满了之后可以创建的最大线程数。
• keepAliveTime：最大线程数可以存活的时间，当线程中没有任务执行时，最大线程就会销毁一部分，最终保持核心线程数量的线程。
• unit：单位是和参数 3 存活时间配合使用的，合在一起用于设定线程的存活时间。

TimeUnit.DAYS：天
TimeUnit.HOURS：小时
TimeUnit.MINUTES：分
TimeUnit.SECONDS：秒
TimeUnit.MILLISECONDS：毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS：微妙
TimeUnit.NANOSECONDS：纳秒

• workQueue：一个阻塞队列，用来存储线程池等待执行的任务，均为线程安全。它一般分为直接提交队列、有界任务队列、无界任务队列、优先任务队列几种

ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，即直接提交给线程不保持它们。
PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。与SynchronousQueue类似，还含有非阻塞方法。
LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
较常用的是 LinkedBlockingQueue 和 Synchronous，线程池的排队策略与 BlockingQueue 有关

• threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程。
• handler：拒绝策略，拒绝处理任务时的策略，系统提供了 4 种。

AbortPolicy：拒绝并抛出异常。（默认策略）
CallerRunsPolicy：使用当前调用的线程来执行此任务。
DiscardOldestPolicy：抛弃队列头部（最旧）的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy：忽略并抛弃当前任务。

ThreadPoolExecutor 关键节点的执行流程如下：

1、当线程数小于核心线程数时，创建线程。
2、当线程数大于等于核心线程数，且任务队列未满时，将任务放入任务队列。
3、当线程数大于等于核心线程数，且任务队列已满：若线程数小于最大线程数，创建线程；若线程数等于最大线程数，抛出异常，拒绝任务。

4.2 FixedThreadPool

FixedThreadPool：创建一个固定大小的线程池，可控制并发的线程数，超出的线程会在队列中等待。

一般用于Web 服务瞬时削峰，但需注意长时间持续高峰情况造成的队列阻塞。

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

• corePoolSize 与 maximumPoolSize 相等，即其线程全为核心线程，是一个固定大小的线程池，是其优势。
• keepAliveTime = 0 该参数默认对核心线程无效，而 FixedThreadPool 全部为核心线程。
• workQueue 为 LinkedBlockingQueue（无界阻塞队列），队列最大值为 Integer.MAX_VALUE。如果任务提交速度持续大于任务处理速度，会造成队列大量阻塞。因为队列很大，很有可能在拒绝策略前，内存溢出。是其劣势
• FixedThreadPool 的任务执行是无序的。

public class NewFixedThreadPoolTest {public static void main(String[] args) {System.out.println("主线程启动");// 1.创建1个有2个线程的线程池ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(2000);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}System.out.println("任务被执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());}};// 2.线程池执行任务（添加4个任务，每次执行2个任务，得执行两次）threadPool.submit(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);System.out.println("主线程结束");}
}

线程池通过复用一组固定数量的线程来执行多个任务，这些线程在一个共享的无界队列上操作。在任一时刻，至多有 nThreads 个线程在积极地处理任务。如果所有线程都忙碌且此时有新任务提交，那么这些新任务将被放入队列中排队，直到有线程空闲出来。

该线程池能够同时处理两个任务，因为有两个活跃的线程。如果这两名线程都在执行任务，那么新提交的两个任务将进入等待队列，直到这两个线程中的任何一个完成其当前任务。

在Java的线程池中，submit() 和 execute() 是两种不同的方法，它们都用于向线程池提交任务。submit() 方法允许你提交一个任务，并返回一个 Future 对象，这个对象可以用来查询任务状态、取消任务或获取任务执行结果。相比之下，execute() 方法用于提交一个任务以供执行，但它不返回任何表示任务的 Future 对象。

4.3 CachedThreadPool

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class CachedThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {// 创建 CachedThreadPool 线程池ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();// 提交任务到线程池for (int i = 0; i < 10; i++) {final int taskNumber = i;threadPool.execute(() -> {System.out.println("执行任务 " + taskNumber + " 由线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 处理");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 模拟任务执行时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}// 关闭线程池，不再接受新任务threadPool.shutdown();}
}

• CachedThreadPool 是通过Executors.newCachedThreadPool()
  方法创建的，它是一种可扩展的线程池，核心线程数为 0，最大线程数为 Integer.MAX_VALUE。
• 该线程池适合用于执行大量短期异步任务。它在需要时会动态创建新线程，如果线程空闲时间超过 60 秒，则会被终止并从线程池中移除。
• CachedThreadPool 使用的是一个同步队列 SynchronousQueue
  作为工作队列，这个队列没有容量，即它不会存储提交的任务，而是直接将任务交给线程执行。
• 在示例代码中，我们创建了一个 CachedThreadPool 并提交了 10
  个任务。每个任务简单地打印出它正在被哪个线程执行，并模拟执行时间。
• 最后，我们调用 shutdown()
  方法来关闭线程池，使其不再接受新任务。注意，这不会立即停止所有正在执行的任务，而是等待它们完成后线程池才会完全关闭。

使用 CachedThreadPool 时需要注意，由于其最大线程数可以非常大，如果任务提交得非常快，可能会导致创建大量线程，从而耗尽系统资源。因此，应当谨慎使用，并确保任务执行不会过快，或者考虑设置适当的线程池参数。

4.4 SingleThreadExecutor

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class SingleThreadExecutorExample {public static void main(String[] args) {// 创建 SingleThreadExecutor 线程池ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();// 提交多个任务到单线程线程池for (int i = 1; i <= 5; i++) {final int taskNumber = i;threadPool.execute(() -> {System.out.println("执行任务 " + taskNumber + " 由线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 处理");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 模拟耗时任务} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态System.out.println("任务 " + taskNumber + " 被中断");}});}// 优雅关闭线程池，等待所有任务执行完毕threadPool.shutdown();try {// 等待线程池关闭，或者超时if (!threadPool.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {// 超时后强制关闭线程池threadPool.shutdownNow();}} catch (InterruptedException e) {threadPool.shutdownNow(); // 捕获中断异常时立即关闭线程池Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态}}
}

SingleThreadExecutor 是通过 Executors.newSingleThreadExecutor() 方法创建的，它确保所有的任务都在同一个线程中按顺序执行。

这种类型的线程池内部其实只有一个线程在工作，也就是单线程环境，它保证了任务的执行顺序，即先提交的任务先执行。

在示例代码中，我们创建了一个 SingleThreadExecutor 并提交了 5 个任务。每个任务简单地打印出它正在被哪个线程执行，并模拟执行时间。

我们使用了 shutdown() 方法来开始关闭线程池的过程，这将阻止线程池接受新任务，但会等待已提交的任务执行完毕。

awaitTermination 方法用来等待线程池中的所有任务执行完成，或者直到超时。如果超时，则会调用 shutdownNow() 方法尝试立即停止所有正在执行的任务。
SingleThreadExecutor 适用于任务不需要并发执行，并且希望按照特定顺序执行的场景。

4.5 ScheduledThread

public class ScheduledThreadTest {public static void main(String[] args) {ScheduledExecutorService threadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);System.out.println("添加任务，时间：" + new Date());threadPool.schedule(() -> {System.out.println("任务被执行，时间：" + new Date());}, 2, TimeUnit.SECONDS);}
}

4.6 SingleThreadScheduledExecutor

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class SingleThreadScheduledExecutorExample {public static void main(String[] args) {// 创建 SingleThreadScheduledExecutor 线程池ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();// 提交一个任务，延迟2秒后执行scheduledExecutorService.schedule(() -> {System.out.println("任务在 " + TimeUnit.SECONDS.convert(System.nanoTime(), TimeUnit.NANOSECONDS) + " 秒后执行");}, 2, TimeUnit.SECONDS);// 重复执行的任务，每隔2秒执行一次，初始延迟2秒scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {System.out.println("周期性任务执行，时间：" + new java.util.Date());}, 2, 2, TimeUnit.SECONDS);// 线程池不会立即关闭，因为任务还在执行// 可以安排关闭线程池的逻辑，例如使用 ScheduledExecutorService 的 shutdown 方法}
}

SingleThreadScheduledExecutor 是通过 Executors.newSingleThreadScheduledExecutor() 方法创建的，它是一个单线程执行定时任务的线程池。

与SingleThreadExecutor不同，SingleThreadScheduledExecutor支持定时任务和周期性任务的执行。

在示例代码中，我们首先使用schedule方法提交了一个延迟2秒后执行的单次任务。

然后，我们使用scheduleAtFixedRate方法提交了一个周期性任务，该任务每隔2秒执行一次，并且有一个初始延迟2秒。

SingleThreadScheduledExecutor 保证所有任务都在同一个线程中顺序执行，这对于需要保证任务执行顺序的场景非常有用。

由于SingleThreadScheduledExecutor是为定时任务设计的，所以它不会像shutdown方法那样立即关闭线程池。如果需要关闭线程池，应该在所有任务执行完毕后调用shutdown方法，并妥善处理关闭逻辑。

此类型的线程池适用于执行定时任务和周期性任务，如定期的数据备份、定时检查等场景。

4.7 NewWorkStealingPool

NewWorkStealingPool：创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定），任务的执行顺序是不确定的，注意此方法只有在 JDK 1.8+ 版本中才能使用。

public class NewWorkStealingPoolTest {public static void main(String[] args) {ExecutorService threadPool = Executors.newWorkStealingPool();for (int i = 0; i < 10; i++) {final int index = i;threadPool.execute(() -> {System.out.println(index + " 被执行,线程名:" + Thread.currentThread().getName());});}// 确保任务执行完成while (!threadPool.isTerminated()) {}}
}

5.任务队列

5.1 直接提交队列（SynchronousQueue）

直接提交队列不存储任务，每个提交的任务必须立即由线程池中的某个线程接收并开始执行。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;public class DirectSubmissionQueueExample {public static void main(String[] args) {// 使用直接提交队列SynchronousQueue<Runnable> queue = new SynchronousQueue<>();ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0, TimeUnit.MILLISECONDS, queue);// 提交任务executor.execute(() -> {System.out.println("任务被执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

在这个示例中，我们创建了一个核心线程数和最大线程数都为1的ThreadPoolExecutor，使用了SynchronousQueue作为任务队列。任务一提交就会尝试执行，因为没有存储机制，所以任务不会被缓存。

5.2 有界任务队列（ArrayBlockingQueue）

有界任务队列可以存储有限数量的任务。当队列满了之后，根据拒绝策略处理新提交的任务。

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;public class BoundedQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建有界任务队列ArrayBlockingQueue<Runnable> queue = new ArrayBlockingQueue<>(2);ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 0, TimeUnit.MILLISECONDS, queue);// 提交任务for (int i = 0; i < 3; i++) {executor.execute(() -> {System.out.println("任务 " + (i + 1) + " 被执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

在这个示例中，我们创建了一个有界队列ArrayBlockingQueue，容量为2。这意味着它最多可以存储两个任务。当提交的任务超过这个数量时，根据设置的拒绝策略处理。

5.3 无界任务队列（LinkedBlockingQueue）

无界任务队列可以存储无限数量的任务，直到内存限制。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;public class UnboundedQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建无界任务队列LinkedBlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<>();ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 0, TimeUnit.MILLISECONDS, queue);// 提交任务for (int i = 0; i < 10; i++) {executor.execute(() -> {System.out.println("任务 " + (i + 1) + " 被执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

在这个示例中，我们创建了一个无界队列LinkedBlockingQueue。这意味着它可以存储任意数量的任务，直到系统内存耗尽。

5.4 优先任务队列（PriorityBlockingQueue）

优先任务队列可以根据任务的优先级来执行任务。

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;public class PriorityQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建优先任务队列PriorityBlockingQueue<Runnable> queue = new PriorityBlockingQueue<>();ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 0, TimeUnit.MILLISECONDS, queue);// 提交任务，可以定义任务优先级executor.execute(new PrioritizedTask(5, "任务5"));executor.execute(new PrioritizedTask(1, "任务1"));executor.execute(new PrioritizedTask(10, "任务10"));// 关闭线程池executor.shutdown();}static class PrioritizedTask implements Runnable, Comparable<PrioritizedTask> {private int priority;private String taskName;public PrioritizedTask(int priority, String taskName) {this.priority = priority;this.taskName = taskName;}@Overridepublic void run() {System.out.println(taskName + " 被执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());}@Overridepublic int compareTo(PrioritizedTask other) {return Integer.compare(this.priority, other.priority); // 升序排序}}
}

在这个示例中，我们创建了一个PriorityBlockingQueue，它根据任务的优先级来排序任务。我们定义了一个PrioritizedTask类，实现了Runnable和Comparable接口，以支持优先级排序。任务将根据它们的优先级被执行。

6.线程拒绝策略

我们来演示一下 ThreadPoolExecutor 的拒绝策略的触发，我们使用 DiscardPolicy 的拒绝策略，它会忽略并抛弃当前任务的策略，实现代码如下：

public class ThreadPoolStrategyTest {public static void main(String[] args) {// 线程池ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 100,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1), new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());// 任务Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("当前任务被执行,执行时间:" + new Date() +" 执行线程:" + Thread.currentThread().getName());try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}};// 开启4个任务threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);}
}

除了 Java 自身提供的 4 种拒绝策略之外，我们也可以自定义拒绝策略，示例代码如下：

public class MyThreadPoolStrategyTest {public static void main(String[] args) {Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("当前任务被执行,执行时间:" + new Date() +" 执行线程:" + Thread.currentThread().getName());try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}};ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 100,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1), new RejectedExecutionHandler() {@Overridepublic void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {// 执行自定义拒绝策略的相关操作System.out.println("我是自定义拒绝策略~");}});threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);threadPool.execute(runnable);}
}

以下是自定义线程池，使用了有界队列，自定义 ThreadFactory 和拒绝策略的demo：

public class MyThreadPoolTest {public static void main(String[] args) throws Exception {BlockingQueue<Runnable> workQueue = new ArrayBlockingQueue<>(2);NameThreadFactory threadFactory = new NameThreadFactory();RejectedExecutionHandler handler = new MyIgnorePolicy();ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 100, TimeUnit.SECONDS,workQueue, threadFactory, handler);// 预启动所有核心线程executor.prestartAllCoreThreads();for (int i = 1; i <= 10; i++) {MyTask task = new MyTask(String.valueOf(i));executor.execute(task);}//阻塞主线程System.in.read();}static class NameThreadFactory implements ThreadFactory {private final AtomicInteger mThreadNum = new AtomicInteger(1);@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {Thread t = new Thread(r, "my-thread-" + mThreadNum.getAndIncrement());System.out.println(t.getName() + " has been created");return t;}}static class MyIgnorePolicy implements RejectedExecutionHandler {@Overridepublic void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {doLog(r, executor);}private void doLog(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {// 可做日志记录等System.err.println( r.toString() + " rejected");System.out.println("completedTaskCount: " + e.getCompletedTaskCount());}}static class MyTask implements Runnable {private String name;public MyTask(String name) {this.name = name;}@Overridepublic void run() {try {System.out.println(this.toString() + " is running!");// 让任务执行慢点Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}public String getName() {return name;}@Overridepublic String toString() {return "MyTask [name=" + name + "]";}}
}