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线程池（ThreadPool）：使用ExecutorService、ThreadPoolExecutor等线程池管理并发任务以及底层实现原理

news 2025/9/18 20:07:31

线程池（ThreadPool）是一种通过预先创建和维护一组线程的机制，用来高效管理并发任务。线程池不仅能减少创建和销毁线程的开销，还能更好地控制并发任务的执行。Java 中提供了多种方式来管理线程池，其中包括 ExecutorService 和 ThreadPoolExecutor 等关键类。

一、线程池的基本概念

线程池的核心思想是维护一组可复用的线程来执行任务，而不是为每个任务创建新线程。这样可以避免频繁的线程创建和销毁，提升系统性能。线程池的主要好处包括：

减少资源消耗：通过复用线程，避免了频繁创建和销毁线程的成本。
提升响应速度：任务不需要等待新线程的创建，因为线程池中已经有线程可用。
控制并发数：线程池可以通过限制线程的数量，控制系统中并发任务的数量，防止资源耗尽。
任务管理：线程池提供了任务队列，可以管理提交的任务，支持任务的调度和优先级。

Java 的 Executor 框架为开发者提供了一种标准化的方式来使用线程池，它将任务的提交与任务的执行分离，使得开发者无需关心底层线程的管理细节。

二、ExecutorService 和 ThreadPoolExecutor 的使用

ExecutorService 是 java.util.concurrent 包中的一个接口，提供了一组用于管理线程池的抽象方法。ThreadPoolExecutor 是 ExecutorService 接口的一个实现类，提供了线程池的核心功能。

1. 使用 ExecutorService

ExecutorService 是线程池的上层接口，可以通过静态方法 Executors 创建常用的线程池。以下是几种常用的线程池类型：

固定线程池（FixedThreadPool）：创建一个固定大小的线程池，线程池中始终有指定数量的线程在运行。新任务提交后，如果线程池中所有线程都在执行任务，则新任务会进入任务队列等待。
```
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
```
缓存线程池（CachedThreadPool）：创建一个缓存线程池。线程池的大小不固定，随着需求动态增长。线程闲置时会被回收，适合执行大量短期任务。
```
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
```
单线程池（SingleThreadExecutor）：创建一个只有单个线程的线程池，所有任务将在同一个线程中顺序执行。
```
ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
```

调度线程池（ScheduledThreadPool）：用于定时或周期性执行任务。

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

2. 提交任务

任务可以通过 ExecutorService 提交执行，通常有以下几种方法：

execute(Runnable)：提交一个 Runnable 任务，执行没有返回结果。

fixedThreadPool.execute(() -> {System.out.println("Task executed by thread pool");
});

submit(Runnable) 和 submit(Callable)：提交任务并返回 Future 对象，Future 可用于获取任务执行结果。
```
Future<String> future = fixedThreadPool.submit(() -> {return "Task result";
});
```

3. 关闭线程池

使用完线程池后，应该关闭它以释放资源。可以调用以下方法关闭线程池：

shutdown()：会等待线程池中的任务执行完毕后再关闭。
```
fixedThreadPool.shutdown();
```
shutdownNow()：立即停止所有任务，并尝试中断正在执行的线程。
```
fixedThreadPool.shutdownNow();
```

三、ThreadPoolExecutor 的底层实现原理

ThreadPoolExecutor 是 Java 线程池的核心实现类，它提供了高度可配置的线程池管理机制。我们可以通过构造方法自定义线程池的核心参数，如线程数、队列类型、拒绝策略等。其构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,        // 核心线程数int maximumPoolSize,     // 最大线程数long keepAliveTime,      // 非核心线程的存活时间TimeUnit unit,           // 存活时间的单位BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 任务队列ThreadFactory threadFactory,       // 线程工厂，用于创建新线程RejectedExecutionHandler handler   // 拒绝策略
)

1. 核心参数介绍

corePoolSize：核心线程数，当提交任务时，如果当前线程数小于核心线程数，即使线程池中有空闲线程，也会创建新的线程来执行任务。
maximumPoolSize：线程池的最大线程数，当任务队列已满且线程数小于最大线程数时，线程池会创建新线程来执行任务。
keepAliveTime：非核心线程的空闲时间超过此时间后将被终止（如果当前线程数大于 corePoolSize）。
workQueue：任务队列，用于存放等待执行的任务。常用的任务队列类型有：
- ArrayBlockingQueue：有界队列，任务达到队列上限时，新的任务将被阻塞或拒绝。
- LinkedBlockingQueue：无界队列，适合任务量较大的场景。
- SynchronousQueue：没有容量的队列，提交的任务必须直接交给线程执行，否则会创建新线程。
RejectedExecutionHandler：当线程池和任务队列都满时，新的任务将被拒绝。可以选择不同的拒绝策略：
- AbortPolicy：默认策略，直接抛出 RejectedExecutionException 异常。
- CallerRunsPolicy：调用执行任务的线程（通常是提交任务的线程）来执行任务。
- DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛异常。
- DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，然后重新尝试执行当前任务。

2. 工作流程

ThreadPoolExecutor 的工作流程大致可以分为以下几个步骤：

任务提交：当任务通过 execute() 或 submit() 方法提交时，线程池首先会检查当前线程数是否少于 corePoolSize，如果是，则创建新的线程执行任务。
任务入队：如果线程数已经达到 corePoolSize，任务会被放入 workQueue 队列中等待执行。
创建新线程：当队列已满且线程数未达到 maximumPoolSize，线程池会创建新的线程来执行任务。
拒绝策略：如果线程数已经达到 maximumPoolSize 且队列已满，线程池会根据 RejectedExecutionHandler 策略拒绝新提交的任务。
任务执行：线程从任务队列中取出任务并执行，任务执行完毕后，线程不会立即销毁，而是保持存活状态，等待下一个任务。如果线程的空闲时间超过 keepAliveTime，并且当前线程数超过 corePoolSize，该线程将被终止。
线程销毁：当线程池中的所有线程都处于空闲状态且线程数大于 corePoolSize 时，线程池会根据 keepAliveTime 逐步销毁多余的线程，直到只剩下核心线程。

3. 任务队列与线程数的关系

ThreadPoolExecutor 的任务处理策略基于任务队列和线程数的配置，可以分为以下几种情况：

如果当前线程数小于 corePoolSize，则即使队列不满，线程池也会优先创建新线程。
如果队列已满且线程数小于 maximumPoolSize，线程池会继续创建新线程来执行任务。
如果队列已满且线程数已达到 maximumPoolSize，任务将被拒绝，触发拒绝策略。

四、总结

Java 中的 ExecutorService 和 ThreadPoolExecutor 提供了一种标准化、可扩展的线程池管理机制，可以高效管理并发任务。通过线程池，开发者能够减少线程频繁创建和销毁带来的开销，控制并发数，提升系统性能。

线程池的底层实现主要基于核心线程数、最大线程数、任务队列、存活时间以及拒绝策略等参数的组合。通过合理配置线程池，可以在不同场景下实现性能优化和资源控制。