一、简介
什么是线程池
线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。
为什么要用线程池
如果并发请求数量很多，但每个线程执行的时间很短，就会出现频繁的创建和销毁线程。如此一来，会大大降低系统的效率，可能频繁创建和销毁线程的时间、资源开销要大于实际工作的所需。
正是由于这个问题，所以有必要引入线程池。使用 线程池的好处 有以下几点：
- 降低资源消耗 - 通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
- 提高响应速度 - 当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
- 提高线程的可管理性 - 线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。
二、Executor 框架
Executor 框架是一个根据一组执行策略调用，调度，执行和控制的异步任务的框架，目的是提供一种将”任务提交”与”任务如何运行”分离开来的机制。
核心 API 概述
Executor 框架核心 API 如下：
Executor- 运行任务的简单接口。ExecutorService- 扩展了Executor接口。扩展能力：- 支持有返回值的线程；
- 支持管理线程的生命周期。
ScheduledExecutorService- 扩展了ExecutorService接口。扩展能力：支持定期执行任务。AbstractExecutorService-ExecutorService接口的默认实现。ThreadPoolExecutor- Executor 框架最核心的类，它继承了AbstractExecutorService类。ScheduledThreadPoolExecutor-ScheduledExecutorService接口的实现，一个可定时调度任务的线程池。Executors- 可以通过调用Executors的静态工厂方法来创建线程池并返回一个ExecutorService对象。
Executor
Executor 接口中只定义了一个 execute 方法，用于接收一个 Runnable 对象。
public interface Executor { void execute(Runnable command); }
ExecutorService
ExecutorService 接口继承了 Executor 接口，它还提供了 invokeAll、invokeAny、shutdown、submit 等方法。
public interface ExecutorService extends Executor { void shutdown(); List<Runnable> shutdownNow(); boolean isShutdown(); boolean isTerminated(); boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; <T> Future<T> submit(Callable<T> task); <T> Future<T> submit(Runnable task, T result); Future<?> submit(Runnable task); <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException; <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException; <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; }
从其支持的方法定义，不难看出：相比于 Executor 接口，ExecutorService 接口主要的扩展是：
- 支持有返回值的线程 -
sumbit、invokeAll、invokeAny方法中都支持传入Callable对象。 - 支持管理线程生命周期 -
shutdown、shutdownNow、isShutdown等方法。
ScheduledExecutorService
ScheduledExecutorService 接口扩展了 ExecutorService 接口。
它除了支持前面两个接口的所有能力以外，还支持定时调度线程。
public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService { public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit); public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit); public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit); public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit); }
其扩展的接口提供以下能力：
schedule方法可以在指定的延时后执行一个Runnable或者Callable任务。scheduleAtFixedRate方法和scheduleWithFixedDelay方法可以按照指定时间间隔，定期执行任务。
三、ThreadPoolExecutor
java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor 类是 Executor 框架中最核心的类。所以，本文将着重讲述一下这个类。
重要字段
ThreadPoolExecutor 有以下重要字段：
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1; // runState is stored in the high-order bits private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
参数说明：
ctl- 用于控制线程池的运行状态和线程池中的有效线程数量。它包含两部分的信息：- 线程池的运行状态 (
runState) - 线程池内有效线程的数量 (
workerCount) - 可以看到，
ctl使用了Integer类型来保存，高 3 位保存runState，低 29 位保存workerCount。COUNT_BITS就是 29，CAPACITY就是 1 左移 29 位减 1（29 个 1），这个常量表示workerCount的上限值，大约是 5 亿。
- 线程池的运行状态 (
- 运行状态 - 线程池一共有五种运行状态：
RUNNING- 运行状态。接受新任务，并且也能处理阻塞队列中的任务。SHUTDOWN- 关闭状态。不接受新任务，但可以处理阻塞队列中的任务。- 在线程池处于
RUNNING状态时，调用shutdown方法会使线程池进入到该状态。 finalize方法在执行过程中也会调用shutdown方法进入该状态。
- 在线程池处于
STOP- 停止状态。不接受新任务，也不处理队列中的任务。会中断正在处理任务的线程。在线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态时，调用shutdownNow方法会使线程池进入到该状态。TIDYING- 整理状态。如果所有的任务都已终止了，workerCount(有效线程数) 为 0，线程池进入该状态后会调用terminated方法进入TERMINATED状态。TERMINATED- 已终止状态。在terminated方法执行完后进入该状态。默认terminated方法中什么也没有做。进入TERMINATED的条件如下：- 线程池不是
RUNNING状态； - 线程池状态不是
TIDYING状态或TERMINATED状态； - 如果线程池状态是
SHUTDOWN并且workerQueue为空； workerCount为 0；- 设置
TIDYING状态成功。
- 线程池不是
构造方法
ThreadPoolExecutor 有四个构造方法，前三个都是基于第四个实现。第四个构造方法定义如下：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {
参数说明：
corePoolSize- 核心线程数量。当有新任务通过execute方法提交时 ，线程池会执行以下判断：- 如果运行的线程数少于
corePoolSize，则创建新线程来处理任务，即使线程池中的其他线程是空闲的。 - 如果线程池中的线程数量大于等于
corePoolSize且小于maximumPoolSize，则只有当workQueue满时才创建新的线程去处理任务； - 如果设置的
corePoolSize和maximumPoolSize相同，则创建的线程池的大小是固定的。这时如果有新任务提交，若workQueue未满，则将请求放入workQueue中，等待有空闲的线程去从workQueue中取任务并处理； - 如果运行的线程数量大于等于
maximumPoolSize，这时如果workQueue已经满了，则使用handler所指定的策略来处理任务； - 所以，任务提交时，判断的顺序为
corePoolSize=>workQueue=>maximumPoolSize。
- 如果运行的线程数少于
maximumPoolSize- 最大线程数量。- 如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。
- 值得注意的是：如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
keepAliveTime：线程保持活动的时间。- 当线程池中的线程数量大于
corePoolSize的时候，如果这时没有新的任务提交，核心线程外的线程不会立即销毁，而是会等待，直到等待的时间超过了keepAliveTime。 - 所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
- 当线程池中的线程数量大于
unit-keepAliveTime的时间单位。有 7 种取值。可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。workQueue- 等待执行的任务队列。用于保存等待执行的任务的阻塞队列。 可以选择以下几个阻塞队列。ArrayBlockingQueue- 有界阻塞队列。- 此队列是基于数组的先进先出队列（FIFO）。
- 此队列创建时必须指定大小。
LinkedBlockingQueue- 无界阻塞队列。- 此队列是基于链表的先进先出队列（FIFO）。
- 如果创建时没有指定此队列大小，则默认为
Integer.MAX_VALUE。 - 吞吐量通常要高于
ArrayBlockingQueue。 - 使用
LinkedBlockingQueue意味着：maximumPoolSize将不起作用，线程池能创建的最大线程数为corePoolSize，因为任务等待队列是无界队列。 Executors.newFixedThreadPool使用了这个队列。
SynchronousQueue- 不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。- 每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态。
- 吞吐量通常要高于
LinkedBlockingQueue。 Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
PriorityBlockingQueue- 具有优先级的无界阻塞队列。
threadFactory- 线程工厂。可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。handler- 饱和策略。它是RejectedExecutionHandler类型的变量。当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。线程池支持以下策略：AbortPolicy- 丢弃任务并抛出异常。这也是默认策略。DiscardPolicy- 丢弃任务，但不抛出异常。DiscardOldestPolicy- 丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）。CallerRunsPolicy- 直接调用run方法并且阻塞执行。- 如果以上策略都不能满足需要，也可以通过实现
RejectedExecutionHandler接口来定制处理策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
execute 方法
默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。
提交任务可以使用 execute 方法，它是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。
execute 方法工作流程如下：
- 如果
workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务； - 如果
workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中； - 如果
workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务； - 如果
workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满，则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。
其他重要方法
在 ThreadPoolExecutor 类中还有一些重要的方法：
submit- 类似于execute，但是针对的是有返回值的线程。submit方法是在ExecutorService中声明的方法，在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现。ThreadPoolExecutor直接复用AbstractExecutorService的submit方法。shutdown- 不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务。- 将线程池切换到
SHUTDOWN状态； - 并调用
interruptIdleWorkers方法请求中断所有空闲的 worker； - 最后调用
tryTerminate尝试结束线程池。
- 将线程池切换到
shutdownNow- 立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务。与shutdown方法类似，不同的地方在于：- 设置状态为
STOP； - 中断所有工作线程，无论是否是空闲的；
- 取出阻塞队列中没有被执行的任务并返回。
- 设置状态为
isShutdown- 调用了shutdown或shutdownNow方法后，isShutdown方法就会返回 true。isTerminaed- 当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回 true。setCorePoolSize- 设置核心线程数大小。setMaximumPoolSize- 设置最大线程数大小。getTaskCount- 线程池已经执行的和未执行的任务总数；getCompletedTaskCount- 线程池已完成的任务数量，该值小于等于taskCount；getLargestPoolSize- 线程池曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否满过，也就是达到了maximumPoolSize；getPoolSize- 线程池当前的线程数量；getActiveCount- 当前线程池中正在执行任务的线程数量。
四、Executors
JDK 的 Executors 类中提供了几种具有代表性的线程池，这些线程池 都是基于 ThreadPoolExecutor 的定制化实现。
在实际使用线程池的场景中，我们往往不是直接使用 ThreadPoolExecutor ，而是使用 JDK 中提供的具有代表性的线程池实例。
newSingleThreadExecutor
创建一个单线程的线程池。
只会创建唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。 如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它 。
单工作线程最大的特点是：可保证顺序地执行各个任务。
newFixedThreadPool
创建一个固定大小的线程池。
每次提交一个任务就会新创建一个工作线程，如果工作线程数量达到线程池最大线程数，则将提交的任务存入到阻塞队列中。
FixedThreadPool 是一个典型且优秀的线程池，它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是，在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源。
newCachedThreadPool
创建一个可缓存的线程池。
- 如果线程池大小超过处理任务所需要的线程数，就会回收部分空闲的线程；
- 如果长时间没有往线程池中提交任务，即如果工作线程空闲了指定的时间（默认为 1 分钟），则该工作线程将自动终止。终止后，如果你又提交了新的任务，则线程池重新创建一个工作线程。
- 此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说 JVM）能够创建的最大线程大小。 因此，使用
CachedThreadPool时，一定要注意控制任务的数量，否则，由于大量线程同时运行，很有会造成系统瘫痪。
newScheduleThreadPool
创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。
五、线程池优化
计算线程数量
一般多线程执行的任务类型可以分为 CPU 密集型和 I/O 密集型，根据不同的任务类型，我们计算线程数的方法也不一样。
CPU 密集型任务：这种任务消耗的主要是 CPU 资源，可以将线程数设置为 N（CPU 核心数）+1，比 CPU 核心数多出来的一个线程是为了防止线程偶发的缺页中断，或者其它原因导致的任务暂停而带来的影响。一旦任务暂停，CPU 就会处于空闲状态，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用 CPU 的空闲时间。
I/O 密集型任务：这种任务应用起来，系统会用大部分的时间来处理 I/O 交互，而线程在处理 I/O 的时间段内不会占用 CPU 来处理，这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 I/O 密集型任务的应用中，我们可以多配置一些线程，具体的计算方法是 2N。
// 成员变量 private volatile ExecutorService executor; //单例模式创建 private ExecutorService getExecutorService(){ if(executor == null){ synchronized (this){ if(executor == null){ int availableProcessors = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); int maximumPoolSize = availableProcessors * 4; int queueCapacity = availableProcessors * 100; long keepAliveTime = 60L; BlockingQueue<Runnable> workQueue = new ArrayBlockingQueue<>(queueCapacity); executor = new ThreadPoolExecutor( availableProcessors, maximumPoolSize, keepAliveTime, TimeUnit.SECONDS, workQueue, new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()); // 关闭客户端(关闭后台线程) Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> { if(Objects.nonNull(executor)){ executor.shutdown(); } })); } } } return executor; }