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一文弄懂Java中ThreadPoolExecutor

2023-08-21 09:57:22 作者：赶路人儿

ThreadPoolExecutor是Java中的一个线程池实现,它可以管理和控制多个 Worker Threads,本文就详细的介绍一下Java中ThreadPoolExecutor,具有一定的参考价值,感兴趣的可以了解一下

一、ThreadPoolExecutor类讲解

1、线程池状态：

五种状态：

线程池的状态	说明
RUNNING	允许提交并处理任务
SHUTDOWN	不允许提交新的任务，但是会处理完已提交的任务
STOP	不允许提交新的任务，也不会处理阻塞队列中未执行的任务，并设置正在执行的线程的中断标志位
TIDYING	所有任务执行完毕，池中工作的线程数为0，等待执行terminated()勾子方法
TERMINATED	terminated()勾子方法执行完毕

线程池的shutdown() 方法，将线程池由 RUNNING（运行状态）转换为 SHUTDOWN状态
线程池的shutdownNow()方法，将线程池由RUNNING 或 SHUTDOWN 状态转换为 STOP 状态。

注：SHUTDOWN 状态和 STOP 状态先会转变为 TIDYING 状态，最终都会变为 TERMINATED

2、ThreadPoolExecutor构造函数：

ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService，而AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口。

接下来我们分别讲解这些参数的含义。

2.1）线程池工作原理：

corePoolSize ：线程池中核心线程数的最大值
maximumPoolSize ：线程池中能拥有最多线程数
workQueue：用于缓存任务的阻塞队列

当调用线程池execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：

如果有空闲线程，则直接执行该任务；
如果没有空闲线程，且当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新的线程执行该任务；
如果没有空闲线程，且当前的线程数等于corePoolSize，同时阻塞队列未满，则将任务入队列，而不添加新的线程；
如果没有空闲线程，且阻塞队列已满，同时池中的线程数小于maximumPoolSize ，则创建新的线程执行任务；
如果没有空闲线程，且阻塞队列已满，同时池中的线程数等于maximumPoolSize ，则根据构造函数中的 handler 指定的策略来拒绝新的任务。

2.2）KeepAliveTime：

keepAliveTime ：表示空闲线程的存活时间
TimeUnit unit ：表示keepAliveTime的单位

当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

注：如果线程池设置了allowCoreThreadTimeout参数为true（默认false），那么当空闲线程超过keepaliveTime后直接停掉。（不会判断线程数是否大于corePoolSize）即：最终线程数会变为0。

2.3）workQueue 任务队列：

workQueue ：它决定了缓存任务的排队策略

ThreadPoolExecutor线程池推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue 、LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

1）有界队列：

SynchronousQueue ：一个不存储元素的阻塞队列，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，静态工厂方法 Executors.newCachedThreadPool 使用了这个队列。
ArrayBlockingQueue：一个由数组支持的有界阻塞队列。此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。一旦创建了这样的缓存区，就不能再增加其容量。试图向已满队列中放入元素会导致操作受阻塞；试图从空队列中提取元素将导致类似阻塞。

2）无界队列：

LinkedBlockingQueue：基于链表结构的无界阻塞队列，它可以指定容量也可以不指定容量（实际上任何无限容量的队列/栈都是有容量的，这个容量就是Integer.MAX_VALUE）
PriorityBlockingQueue：是一个按照优先级进行内部元素排序的无界阻塞队列。队列中的元素必须实现 Comparable 接口，这样才能通过实现compareTo()方法进行排序。优先级最高的元素将始终排在队列的头部；PriorityBlockingQueue 不会保证优先级一样的元素的排序。

注意：keepAliveTime和maximumPoolSize及BlockingQueue的类型均有关系。如果BlockingQueue是无界的，那么永远不会触发maximumPoolSize，自然keepAliveTime也就没有了意义。

2.4）threadFactory：

threadFactory ：指定创建线程的工厂。（可以不指定）

如果不指定线程工厂时，ThreadPoolExecutor 会使用ThreadPoolExecutor.defaultThreadFactory 创建线程。默认工厂创建的线程：同属于相同的线程组，具有同为 Thread.NORM_PRIORITY 的优先级，以及名为 “pool-XXX-thread-” 的线程名（XXX为创建线程时顺序序号），且创建的线程都是非守护进程。

2.5）handler 拒绝策略：

handler ：表示当 workQueue 已满，且池中的线程数达到 maximumPoolSize 时，线程池拒绝添加新任务时采取的策略。（可以不指定）

策略	BB
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()	抛出RejectedExecutionException异常。默认策略
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()	由向线程池提交任务的线程来执行该任务
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()	抛弃当前的任务
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()	抛弃最旧的任务（最先提交而没有得到执行的任务）

最科学的的还是 AbortPolicy 提供的处理方式：抛出异常，由开发人员进行处理。

3、常用方法：

除了在创建线程池时指定上述参数的值外，还可在线程池创建以后通过如下方法进行设置。

此外，还有一些方法：

getCorePoolSize()：返回线程池的核心线程数，这个值是一直不变的，返回在构造函数中设置的coreSize大小；
getMaximumPoolSize()：返回线程池的最大线程数，这个值是一直不变的，返回在构造函数中设置的coreSize大小；
getLargestPoolSize()：记录了曾经出现的最大线程个数（水位线）；
getPoolSize()：线程池中当前线程的数量；
getActiveCount()：Returns the approximate（近似） number of threads that are actively executing tasks；
prestartAllCoreThreads()：会启动所有核心线程，无论是否有待执行的任务，线程池都会创建新的线程，直到池中线程数量达到 corePoolSize；
prestartCoreThread()：会启动一个核心线程（同上）；
allowCoreThreadTimeOut(true)：允许核心线程在KeepAliveTime时间后，退出；

4、Executors类：

Executors类的底层实现便是ThreadPoolExecutor！ Executors 工厂方法有：

Executors.newCachedThreadPool()：无界线程池，可以进行自动线程回收
Executors.newFixedThreadPool(int)：固定大小线程池
Executors.newSingleThreadExecutor()：单个后台线程

它们均为大多数使用场景预定义了设置。不过在阿里java文档中说明，尽量不要用该类创建线程池。

二、线程池相关接口介绍：

1、ExecutorService接口：

该接口是真正的线程池接口。上面的ThreadPoolExecutor以及下面的ScheduledThreadPoolExecutor都是该接口的实现类。改接口常用方法：

Future<?> submit(Runnable task)：提交Runnable任务到线程池，返回Future对象，由于Runnable没有返回值，也就是说调用Future对象get()方法返回null；
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：提交Callable任务到线程池，返回Future对象，调用Future对象get()方法可以获取Callable的返回值；
<T> Future<T> submit(Runnable task，T result)：提交Runnable任务到线程池，返回Future对象，调用Future对象get()方法可以获取Runnable的参数值；
invokeAll(collection of tasks)/invokeAll(collection of tasks, long timeout, TimeUnit unit)：invokeAll会按照任务集合中的顺序将所有的Future添加到返回的集合中，该方法是一个阻塞的方法。只有当所有的任务都执行完毕时，或者调用线程被中断，又或者超出指定时限时，invokeAll方法才会返回。当invokeAll返回之后每个任务要么返回，要么取消，此时客户端可以调用get/isCancelled来判断具体是什么情况。
invokeAny(collection of tasks)/invokeAny(collection of tasks, long timeout, TimeUnit unit)：阻塞的方法，不会返回 Future 对象，而是返回集合中某一个Callable 对象的结果，而且无法保证调用之后返回的结果是哪一个 Callable，如果一个任务运行完毕或者抛出异常，方法会取消其它的 Callable 的执行。和invokeAll区别是只要有一个任务执行完了，就把结果返回，并取消其他未执行完的任务；同样，也带有超时功能；
shutdown()：在完成已提交的任务后关闭服务，不再接受新任；
shutdownNow()：停止所有正在执行的任务并关闭服务；
isTerminated()：测试是否所有任务都执行完毕了；
isShutdown()：测试是否该ExecutorService已被关闭。

1.1）submit方法示例：

我们知道，线程池接口中有以下三个主要方法，接下来我们看一下具体示例：

1）Callable：

public static ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 50, 300, TimeUnit.SECONDS, 
			new ArrayBlockingQueue<Runnable>(50),  
			new ThreadFactory(){ public Thread newThread(Runnable r) {
                return new Thread(r, "schema_task_pool_" + r.hashCode());
            }}, new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
public static void callableTest() {
	int a = 1;
	//callable
	Future<Boolean> future = threadPool.submit(new Callable<Boolean>(){
		@Override
		public Boolean call() throws Exception {
			int b = a + 100;
			System.out.println(b);
			return true;
		}
	});
	try {
		System.out.println("feature.get");
		Boolean boolean1 = future.get();
		System.out.println(boolean1);
	} catch (InterruptedException e) {
		System.out.println("InterruptedException...");
		e.printStackTrace();
	} catch (ExecutionException e) {
		System.out.println("execute exception...");
		e.printStackTrace();
	} 
}

2）Runnable：

public static void runnableTest() {
	int a = 1;
	//runnable
	Future<?> future1 = threadPool.submit(new Runnable(){
		@Override
		public void run() {
			int b = a + 100;
			System.out.println(b);
		}
	});
	try {
		System.out.println("feature.get");
		Object x = future1.get(900,TimeUnit.MILLISECONDS);
		System.out.println(x);//null
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} catch (ExecutionException e) {
		System.out.println("execute exception...");
		e.printStackTrace();
	} catch (TimeoutException e) {
		e.printStackTrace();
	}
}

3）Runnable+result：

class RunnableTask implements Runnable {
	Person p;
	RunnableTask(Person p) {
		this.p = p;
	}
	@Override
	public void run() {
		p.setId(1);
		p.setName("Runnable Task...");
	}
}
class Person {
	private Integer id;
	private String name;
	public Person(Integer id, String name) {
		super();
		this.id = id;
		this.name = name;
	}
	public Integer getId() {
		return id;
	}
	public void setId(Integer id) {
		this.id = id;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
	@Override
	public String toString() {
		return "Person [id=" + id + ", name=" + name + "]";
	}
}
public static void runnableTest2() {
	//runnable + result
	Person p = new Person(0,"person");
	Future<Person> future2 = threadPool.submit(new RunnableTask(p),p);
	try {
		System.out.println("feature.get");
		Person person = future2.get();
		System.out.println(person);
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} catch (ExecutionException e) {
		e.printStackTrace();
	}
}

1.2）线程池执行时，Callable的call方法（Runnable的run方法）抛出异常后，会出现什么？

在上面的例子中我们可以看到，线程池无论是执行Callable还是Runnable，调用返回的Future对象get()方法时需要处理两种异常（如果是调用get(timeout)方法，需要处理三种异常），如下：

//在线程池上运行
Future<Object> future = threadPool.submit(callable);
try {
	System.out.println("feature.get");
	Object x = future.get(900,TimeUnit.MILLISECONDS);
	System.out.println(x);
} catch (InterruptedException e) {
	e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
	System.out.println("execute exception...");
	e.printStackTrace();
} catch (TimeoutException e) {
	e.printStackTrace();
}

如果get方法被打断，进入InterruptedException异常；
如果线程执行过程（call、run方法）中抛出异常，进入ExecutionException异常；
如果get方法超时，进入TimeoutException异常；

1.3）submit()和execute()方法区别：

ExecutorService、ScheduledExecutorService接口的submit()和execute()方法都是把任务提交到线程池中，但二者的区别是

接收的参数不一样，execute只能接收Runnable类型、submit可以接收Runnable和Callable两种类型；
submit有返回值，而execute没有返回值；submit方便Exception处理；

1）submit方法内部实现：

其实submit方法也没有什么神秘的，就是将我们的任务封装成了RunnableFuture接口（继承了Runnable、Future接口），再调用execute方法，我们看源码：

    public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);  //转成 RunnableFuture，传的result是null
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

2）newTaskFor方法内部实现：

newTaskFor方法是new了一个FutureTask返回，所以三个方法其实都是把task转成FutureTask，如果task是Callable，就直接赋值，如果是Runnable 就转为Callable再赋值。

当submit参数是Callable 时：

    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
        return new FutureTask<T>(callable);
    }
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;      
    }

当submit参数是Runnable时：

   // 按顺序看，层层调用
    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask<T>(runnable, value);
    }
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);  //转 runnable 为 callable 
        this.state = NEW; 
    }
   // 以下为Executors中的方法
    public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }
    static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {  //适配器
        final Runnable task;
        final T result;
        RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
            this.task = task;
            this.result = result;
        }
        public T call() {   
            task.run();
            return result;
        }
    }

看了源码就揭开了神秘面纱了，就是因为Future需要返回结果，所以内部task必须是Callable，如果task是Runnable 就偷天换日，在Runnable 外面包个Callable马甲，返回的结果在构造时就写好。

参考：搞懂Runnable、Callable、Future、FutureTask 及应用_赶路人儿的博客-CSDN博客

1.4）ScheduledExecutorService接口：

继承ExecutorService，并且提供了按时间安排执行任务的功能，它提供的方法主要有：

schedule(task, initDelay): 安排所提交的Callable或Runnable任务在initDelay指定的时间后执行；
scheduleAtFixedRate()：安排所提交的Runnable任务按指定的间隔重复执行；
scheduleWithFixedDelay()：安排所提交的Runnable任务在每次执行完后，等待delay所指定的时间后重复执行；

注：该接口的实现类是ScheduledThreadPoolExecutor。

2、Callable接口：

jdk1.5以后创建线程可以通过一下方式：

继承Thread类，实现void run()方法；
实现Runnable接口，实现void run()方法；
实现Callable接口，实现V call() Throws Exception方法

1）Callable和Runnale接口区别：

Callable可以抛出异常，和Future、FutureTask配合可以用来获取异步执行的结果；
Runnable没有返回结果，异常只能内部消化；

2）执行Callable的线程的方法可以通过以下两种方式：

借助FutureTask，使用Thread的start方法来执行；
加入到线程池中，使用线程池的execute或submit执行；

注：Callable无法直接使用Thread来执行；

我们都知道，Callable带有返回值的，如果我们不需要返回值，却又想用Callable该如何做？

jdk中有个Void类型（大写V），但必须也要return null。

threadpool.submit(new Callable<Void>() {
    @Override
    public Void call() {
        //...
        return null;
    }
});

3）通过Executors工具类可以把Runnable接口转换成Callable接口：

Executors中的callable方法可以将Runnable转成Callable，如下：

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}

RunnableAdapter类在上面已经看过源码，原理就是将返回值result作为成员变量，通过参数传递进去，进而实现了Runnable可以返回值。

示例：

public static void test5() {
    	Person p = new Person(0,"person");
    	RunnableTask runnableTask = new RunnableTask(p);//创建runnable
    	Callable<Person> callable = Executors.callable(runnableTask,p);//转换
    	Future<Person> future1 = threadPool.submit(callable);//在线程池上执行Callable
    	try {
			Person person = future1.get();
			System.out.println(person);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
    	Runnable runnable = new Runnable() {//创建Runnable
			@Override
			public void run() {
			}
    	};
    	Callable<Object> callable2 = Executors.callable(runnable);//转换
    	Future<Object> future2 = threadPool.submit(callable2);//在线程池上执行Callable
    	try {
    		Object o = future2.get();
			System.out.println(o);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
    }

3、Future接口：

3.1）Future是用来获取异步计算结果的接口，常用方法：

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消，或者由于某些其他原因而无法取消，则此尝试将失败。当调用 cancel 时，如果调用成功，而此任务尚未启动，则此任务将永不运行。如果任务已经启动，则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。此方法返回后，对 isDone() 的后续调用将始终返回 true。如果此方法返回 true，则对 isCancelled() 的后续调用将始终返回 true。
boolean isCancelled()：如果在任务正常完成前将其取消，则返回 true。
boolean isDone()：如果任务已完成，则返回 true，可能由于正常终止、异常或取消而完成，在所有这些情况中，此方法都将返回 true。
V get()throws InterruptedException,ExecutionException：获取异步结果，此方法会一直阻塞等到计算完成；
V get(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException,ExecutionException,TimeoutException：获取异步结果，此方法会在指定时间内一直阻塞等到计算完成，超时后会抛出超时异常。

通过方法分析我们也知道实际上Future提供了3种功能：

能够中断执行中的任务；
判断任务是否执行完成；
获取任务执行完成后额结果。

但是Future只是一个接口，我们无法直接创建对象，因此就需要其实现类FutureTask登场啦。

3.2）FutureTask类：

1）FutureTask类的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
//...
}
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

FutureTask实现了Runnable、Future两个接口。由于FutureTask实现了Runnable，因此它既可以通过Thread包装来直接执行，也可以提交给ExecuteService来执行。并且还可以直接通过get()函数获取执行结果，该函数会阻塞，直到结果返回。因此FutureTask既是Future、Runnable，又是包装了Callable( 如果是Runnable最终也会被转换为Callable )，它是这两者的合体。

2）FutureTask的构造函数：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

3.3）示例：（FutureTask两种构造函数、以及在Thread和线程池上运行）

1）FutureTask包装过的Callable在Thread、线程池上执行：

public static void test3() {
		int a = 1,b = 2;
		Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
			@Override
			public Integer call() throws Exception {
				return a + b;
			}
		};
		//通过futureTask来执行Callable
		FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
		//1.使用Thread执行线程
		new Thread(futureTask).start();
		try {
			Integer integer = futureTask.get();
			System.out.println(integer);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		//2.使用线程池执行线程
		Executors.newFixedThreadPool(1).submit(futureTask);
		threadPool.shutdown();
		try {
			Integer integer = futureTask.get();
			System.out.println(integer);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		} 
	}

2）FutureTask包装过的Runnable在Thread、线程池上执行：

public static void test4() {
		Person p = new Person(0,"person");
		RunnableTask runnableTask = new RunnableTask(p);
		//创建futureTask来执行Runnable
		FutureTask<Person> futureTask = new FutureTask<>(runnableTask,p);
		//1.使用Thread执行线程
		new Thread(futureTask).start();
		try {
			Person x = futureTask.get();
			System.out.println(x);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		} 
		//2.使用线程池执行线程
		threadPool.submit(futureTask);
		threadPool.shutdown();
		try {
			Person y = futureTask.get();
			System.out.println(y);
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

Person、RunnableTask类同上面的示例中。

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