Java多线程实现之线程池详解

线程池在Java中是一种重要工具，用于管理和复用线程资源，合理使用线程池可以提高程序性能、减少资源消耗，并简化线程管理。本文我将详细介绍Java线程池的实现原理、常见类型以及使用方法等等，帮你更好地理解和深入Java的多线程实现。

一、线程池的基本概念

1.1 为什么需要线程池

• 线程创建和销毁开销大：频繁创建和销毁线程会消耗大量系统资源
• 资源管理困难：无限制创建线程可能导致系统资源耗尽
• 控制并发度：线程池可以限制同时运行的线程数量，避免过度并发

1.2 线程池的核心思想

线程池预先创建一定数量的线程，当有任务提交时，从线程池中获取线程执行任务，任务执行完毕后线程不会销毁，而是返回线程池等待下一个任务。

二、Java线程池的实现

2.1 Executor框架

Java通过Executor框架提供线程池的实现，核心接口和类如下：

• Executor：线程池的基础接口，定义了执行任务的方法
• ExecutorService：扩展了Executor，提供了管理线程池的方法
• ThreadPoolExecutor：线程池的核心实现类
• ScheduledExecutorService：支持定时任务的线程池接口
• Executors：工具类，提供创建线程池的静态工厂方法

2.2 ThreadPoolExecutor构造参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                   // 核心线程数int maximumPoolSize,                // 最大线程数long keepAliveTime,                 // 空闲线程存活时间TimeUnit unit,                      // 时间单位BlockingQueue<Runnable> workQueue,  // 任务队列ThreadFactory threadFactory,        // 线程工厂RejectedExecutionHandler handler    // 拒绝策略
)

三、常见线程池类型

3.1 FixedThreadPool

固定大小的线程池，核心线程数和最大线程数相等：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

3.2 CachedThreadPool

可缓存的线程池，线程数根据需要动态调整：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

3.3 SingleThreadExecutor

单线程执行器，确保所有任务按顺序执行：

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();

3.4 ScheduledThreadPool

支持定时任务的线程池：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

四、线程池的工作流程

1. 提交任务：调用execute()或submit()方法提交任务
2. 线程池判断：
   • 如果当前线程数小于核心线程数，创建新线程执行任务
   • 如果当前线程数大于等于核心线程数，将任务放入任务队列
   • 如果任务队列已满且线程数小于最大线程数，创建新线程执行任务
   • 如果任务队列已满且线程数大于等于最大线程数，执行拒绝策略
3. 任务执行完毕：线程返回线程池，等待下一个任务

五、线程池的使用示例

5.1 提交Runnable任务

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);for (int i = 0; i < 10; i++) {final int taskId = i;executor.execute(() -> {System.out.println("执行任务: " + taskId);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("任务" + taskId + "执行完毕");});
}executor.shutdown(); // 关闭线程池

5.2 提交Callable任务

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);Future<String> future = executor.submit(() -> {Thread.sleep(2000);return "任务执行结果";
});try {String result = future.get(); // 获取任务结果System.out.println("结果: " + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();
}executor.shutdown();

5.3 定时任务

ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(2);// 延迟3秒后执行任务
scheduler.schedule(() -> {System.out.println("延迟任务执行");
}, 3, TimeUnit.SECONDS);// 延迟1秒后开始执行，每2秒执行一次
scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {System.out.println("定时任务执行");
}, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);

六、线程池的拒绝策略

6.1 AbortPolicy（默认）

直接抛出RejectedExecutionException异常：

new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()

6.2 CallerRunsPolicy

由提交任务的线程自己执行该任务：

new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()

6.3 DiscardPolicy

直接丢弃任务，不做任何处理：

new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()

6.4 DiscardOldestPolicy

丢弃任务队列中最老的任务，然后尝试提交新任务：

new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()

七、线程池的监控与调优

7.1 监控线程池状态

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>()
);// 获取线程池状态
int activeCount = executor.getActiveCount(); // 活跃线程数
long completedTaskCount = executor.getCompletedTaskCount(); // 已完成任务数
int queueSize = executor.getQueue().size(); // 队列中的任务数

7.2 合理配置线程池大小

• CPU密集型任务：线程数 = CPU核心数 + 1
• IO密集型任务：线程数 = CPU核心数 * (1 + 平均等待时间/平均处理时间)

八、线程池的最佳实践

8.1 避免使用Executors工厂方法

Executors提供的工厂方法可能会创建出有资源耗尽风险的线程池，建议直接使用ThreadPoolExecutor构造函数：

ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(100),Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
);

8.2 正确关闭线程池

executor.shutdown(); // 平缓关闭，等待已提交任务执行完毕
// executor.shutdownNow(); // 立即关闭，尝试终止正在执行的任务try {if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {executor.shutdownNow();}
} catch (InterruptedException e) {executor.shutdownNow();
}

8.3 使用自定义线程工厂

通过自定义线程工厂可以为线程设置有意义的名称，便于调试：

ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactory() {private final AtomicInteger threadNum = new AtomicInteger(1);@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {return new Thread(r, "my-thread-" + threadNum.getAndIncrement());}
};

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