線程池是多線程編程中的核心概念，簡單來說就是一組可以執(zhí)行任務(wù)的空閑線程。
首先，我們了解一下多線程框架模型，明白為什么需要線程池。
線程是在一個進程中可以執(zhí)行一系列指令的執(zhí)行環(huán)境，或稱運行程序。多線程編程指的是用多個線程并行執(zhí)行多個任務(wù)。當然，JVM對多線程有良好的支持。
盡管這帶來了諸多優(yōu)勢，首當其沖的就是程序性能提高，但多線程編程也有缺點——增加了代碼復(fù)雜度、同步問題、非預(yù)期結(jié)果和增加創(chuàng)建線程的開銷。
在這篇文章中，我們來了解一下如何使用Java線程池來緩解這些問題。
為什么使用線程池？
創(chuàng)建并開啟一個線程開銷很大。如果我們每次需要執(zhí)行任務(wù)時重復(fù)這個步驟，那將會是一筆巨大的性能開銷，這也是我們希望通過多線程解決的問題。
為了更好理解創(chuàng)建和開啟一個線程的開銷，讓我們來看一看JVM在后臺做了哪些事：
為線程棧分配內(nèi)存，保存每個線程方法調(diào)用的棧幀。
每個棧幀包括本地變量數(shù)組、返回值、操作棧和常量池
一些JVM支持本地方法，也將分配本地方法棧
每個線程獲得一個程序計數(shù)器，標識處理器正在執(zhí)行哪條指令
系統(tǒng)創(chuàng)建本地線程，與Java線程對應(yīng)
和線程相關(guān)的描述符被添加到JVM內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
線程共享堆和方法區(qū)
當然，這些步驟的具體細節(jié)取決于JVM和操作系統(tǒng)。
另外，更多的線程意味著更多工作量，系統(tǒng)需要調(diào)度和決定哪個線程接下來可以訪問資源。
線程池通過減少需要的線程數(shù)量并管理線程生命周期，來幫助我們緩解性能問題。
本質(zhì)上，線程在我們使用前一直保存在線程池中，在執(zhí)行完任務(wù)之后，線程會返回線程池等待下次使用。這種機制在執(zhí)行很多小任務(wù)的系統(tǒng)中十分有用。
Java線程池
Java通過executor對象來實現(xiàn)自己的線程池模型?？梢允褂胑xecutor接口或其他線程池的實現(xiàn)，它們都允許細粒度的控制。
java.util.concurrent包中有以下接口：
Executor——執(zhí)行任務(wù)的簡單接口
ExecutorService——一個較復(fù)雜的接口，包含額外方法來管理任務(wù)和executor本身
ScheduledExecutorService——擴展自ExecutorService，增加了執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度方法
除了這些接口，這個包中也提供了Executors類直接獲取實現(xiàn)了這些接口的executor實例
一般來說，一個Java線程池包含以下部分：
工作線程的池子，負責管理線程
線程工廠，負責創(chuàng)建新線程
等待執(zhí)行的任務(wù)隊列
在下面的章節(jié)，讓我們仔細看一看Java類和接口如何為線程池提供支持。
Executors類和Executor接口
Executors類包含工廠方法創(chuàng)建不同類型的線程池，Executor是個簡單的線程池接口，只有一個execute()方法。
我們通過一個例子來結(jié)合使用這兩個類(接口)，首先創(chuàng)建一個單線程的線程池，然后用它執(zhí)行一個簡單的語句：
Executorexecutor=Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(()->System.out.println("Singlethreadpooltest"));
注意語句寫成了lambda表達式，會被自動推斷成Runnable類型。
如果有工作線程可用，execute()方法將執(zhí)行語句，否則就把Runnable任務(wù)放進隊列，等待線程可用。
基本上，executor代替了顯式創(chuàng)建和管理線程。
Executors類里的工廠方法可以創(chuàng)建很多類型的線程池：
newSingleThreadExecutor()：包含單個線程和無界隊列的線程池，同一時間只能執(zhí)行一個任務(wù)
newFixedThreadPool()：包含固定數(shù)量線程并共享無界隊列的線程池；當所有線程處于工作狀態(tài)，有新任務(wù)提交時，任務(wù)在隊列中等待，直到一個線程變?yōu)榭捎脿顟B(tài)
newCachedThreadPool()：只有需要時創(chuàng)建新線程的線程池
newWorkStealingThreadPool()：基于工作竊?。╳ork-stealing）算法的線程池，后面章節(jié)詳細說明
接下來，讓我們看一下ExecutorService接口提供了哪些新功能
ExecutorService
創(chuàng)建ExecutorService方式之一便是通過Excutors類的工廠方法。
ExecutorServiceexecutor=Executors.newFixedThreadPool(10);
Besidestheexecute()method,thisinterfacealsodefinesasimilarsubmit()methodthatcanreturnaFutureobject:
除了execute()方法，接口也定義了相似的submit()方法，這個方法可以返回一個Future對象。
Callable<Double>callableTask=()->{
returnemployeeService.calculateBonus(employee);
};
Future<Double>future=executor.submit(callableTask);
//executeotheroperations
try{
if(future.isDone()){
doubleresult=future.get();
}
}catch(InterruptedException|ExecutionExceptione){
e.printStackTrace();
}
從上面的例子可以看到，F(xiàn)uture接口可以返回Callable類型任務(wù)的結(jié)果，而且能顯示任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。
當沒有任務(wù)等待執(zhí)行時，ExecutorService并不會自動銷毀，所以你可以使用shutdown()或shutdownNow()來顯式關(guān)閉它。
executor.shutdown();
ScheduledExecutorService
這是ExecutorService的一個子接口，增加了調(diào)度任務(wù)的方法。
ScheduledExecutorServiceexecutor=Executors.newScheduledThreadPool(10);
schedule()方法的參數(shù)指定執(zhí)行的方法、延時和TimeUnit
Future<Double>future=executor.schedule(callableTask,2,TimeUnit.MILLISECONDS);
另外，這個接口定義了其他兩個方法：
executor.scheduleAtFixedRate(
()->System.out.println("FixedRateScheduled"),2,2000,TimeUnit.MILLISECONDS);
executor.scheduleWithFixedDelay(
()->System.out.println("FixedDelayScheduled"),2,2000,TimeUnit.MILLISECONDS);
scheduleAtFixedRate()方法延時2毫秒執(zhí)行任務(wù)，然后每2秒重復(fù)一次。相似的，scheduleWithFixedDelay()方法延時2毫秒后執(zhí)行第一次，然后在上一次執(zhí)行完成2秒后再次重復(fù)執(zhí)行。
在下面的章節(jié)，我們來看一下ExecutorService接口的兩個實現(xiàn)：ThreadPoolExecutor和ForkJoinPool。
ThreadPoolExecutor
這個線程池的實現(xiàn)增加了配置參數(shù)的能力。創(chuàng)建ThreadPoolExecutor對象最方便的方式就是通過Executors工廠方法：
ThreadPoolExecutorexecutor=(ThreadPoolExecutor)Executors.newFixedThreadPool(10);
這種情況下，線程池按照默認值預(yù)配置了參數(shù)。線程數(shù)量由以下參數(shù)控制：
corePoolSize和maximumPoolSize：表示線程數(shù)量的范圍
keepAliveTime：決定了額外線程存活時間
我們深入了解一下這些參數(shù)如何使用。
當一個任務(wù)被提交時，如果執(zhí)行中的線程數(shù)量小于corePoolSize，一個新的線程被創(chuàng)建。如果運行的線程數(shù)量大于corePoolSize，但小于maximumPoolSize，并且任務(wù)隊列已滿時，依然會創(chuàng)建新的線程。如果多于corePoolSize的線程空閑時間超過keepAliveTime，它們會被終止。
上面那個例子中，newFixedThreadPool()方法創(chuàng)建的線程池，corePoolSize=maximumPoolSize=10并且keepAliveTime為0秒。
如果你使用newCachedThreadPool()方法，創(chuàng)建的線程池maximumPoolSize為Integer.MAX_VALUE，并且keepAliveTime為60秒。
ThreadPoolExecutorcachedPoolExecutor
=(ThreadPoolExecutor)Executors.newCachedThreadPool();
Theparameterscanalsobesetthroughaconstructororthroughsettermethods:
這些參數(shù)也可以通過構(gòu)造函數(shù)或setter方法設(shè)置：
ThreadPoolExecutorexecutor=newThreadPoolExecutor(
4,6,60,TimeUnit.SECONDS,newlinkedBlockingQueue<Runnable>()
);
executor.setMaximumPoolSize(8);
ThreadPoolExecutor的一個子類便是ScheduledThreadPoolExecutor，它實現(xiàn)了ScheduledExecutorService接口。你可以通過newScheduledThreadPool()工廠方法來創(chuàng)建這種類型的線程池。
ScheduledThreadPoolExecutorexecutor
=(ScheduledThreadPoolExecutor)Executors.newScheduledThreadPool(5);
上面語句創(chuàng)建了一個線程池，corePoolSize為5，maximumPoolSize無限制，keepAliveTime為0秒。
ForkJoinPool
另一個線程池的實現(xiàn)是ForkJoinPool類。它實現(xiàn)了ExecutorService接口，并且是Java7中fork/join框架的重要組件。
fork/join框架基于“工作竊取算法”。簡而言之，意思就是執(zhí)行完任務(wù)的線程可以從其他運行中的線程“竊取”工作。
ForkJoinPool適用于任務(wù)創(chuàng)建子任務(wù)的情況，或者外部客戶端創(chuàng)建大量小任務(wù)到線程池。
這種線程池的工作流程如下：
創(chuàng)建ForkJoinTask子類
根據(jù)某種條件將任務(wù)切分成子任務(wù)
調(diào)用執(zhí)行任務(wù)
將任務(wù)結(jié)果合并
實例化對象并添加到池中
創(chuàng)建一個ForkJoinTask，你可以選擇RecursiveAction或RecursiveTask這兩個子類，后者有返回值。
我們來實現(xiàn)一個繼承RecursiveTask的類，計算階乘，并把任務(wù)根據(jù)閾值劃分成子任務(wù)。
這個類需要實現(xiàn)的主要方法就是重寫compute()方法，用于合并每個子任務(wù)的結(jié)果。
具體劃分任務(wù)邏輯在createSubtasks()方法中：
最后，calculate()方法包含一定范圍內(nèi)的乘數(shù)。
接下來，任務(wù)可以添加到線程池：
ForkJoinPoolpool=ForkJoinPool.commonPool();
BigIntegerresult=pool.invoke(newFactorialTask(100));
ThreadPoolExecutor與ForkJoinPool對比
初看上去，似乎fork/join框架帶來性能提升。但是這取決于你所解決問題的類型。
當選擇線程池時，非常重要的一點是牢記創(chuàng)建、管理線程以及線程間切換執(zhí)行會帶來的開銷。
ThreadPoolExecutor可以控制線程數(shù)量和每個線程執(zhí)行的任務(wù)。這很適合你需要在不同的線程上執(zhí)行少量巨大的任務(wù)。
相比較而言，F(xiàn)orkJoinPool基于線程從其他線程“竊取”任務(wù)。正因如此，當任務(wù)可以分割成小任務(wù)時可以提高效率。
為了實現(xiàn)工作竊取算法，fork/join框架使用兩種隊列：
包含所有任務(wù)的主要隊列
每個線程的任務(wù)隊列
當線程執(zhí)行完自己任務(wù)隊列中的任務(wù)，它們試圖從其他隊列獲取任務(wù)。為了使這一過程更加高效，線程任務(wù)隊列使用雙端隊列（doubleendedqueue）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一端與線程交互，另一端用于“竊取”任務(wù)。
來自TheHDeveloper的圖很好的表現(xiàn)出了這一過程：
和這種模型相比，ThreadPoolExecutor只使用一個主要隊列。
最后要注意的一點ForkJoinPool只適用于任務(wù)可以創(chuàng)建子任務(wù)。否則它和ThreadPoolExecutor沒區(qū)別，甚至開銷更大。
跟蹤線程池的執(zhí)行
現(xiàn)在我們對Java線程池生態(tài)系統(tǒng)有了基本的了解，讓我們通過一個使用了線程池的應(yīng)用，來看一看執(zhí)行中到底發(fā)生了什么。
通過在FactorialTask的構(gòu)造函數(shù)和calculate()方法中加入日志語句，你可以看到下面調(diào)用序列：
你可以看到創(chuàng)建了很多任務(wù)，但只有3個工作線程——所以任務(wù)通過線程池被可用線程處理。
也可以看到在放到執(zhí)行池之前，主線程中對象如何被創(chuàng)建。
使用Prefix這一類可視化的日志工具是一個很棒的方式來探索和理解運行時的線程池。
記錄線程池日志的核心便是保證在日志信息中方便辨識線程名字。Log4J2通過使用布局能夠很好完成這種工作。
使用線程池的潛在風險
盡管線程池有巨大優(yōu)勢，你在使用中仍會遇到一些問題，比如：
用的線程池過大或過?。喝绻€程池包含太多線程，會明顯的影響應(yīng)用的性能；另一方面，線程池太小并不能帶來所期待的性能提升。
正如其他多線程情形一樣，死鎖也會發(fā)生。舉個例子，一個任務(wù)可能等待另一個任務(wù)完成，而后者并沒有可用線程處理執(zhí)行。所以說避免任務(wù)之間的依賴是個好習慣。
等待執(zhí)行時間很長的任務(wù)：為了避免長時間阻塞線程，你可以指定最大等待時間，并決定過期任務(wù)是拒絕處理還是重新加入隊列。
為了降低風險，你必須根據(jù)要處理的任務(wù)，來謹慎選擇線程池的類型和參數(shù)。對你的系統(tǒng)進行壓力測試也是值得的，它可以幫你獲取真實環(huán)境下的系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)。
結(jié)論
線程池有很大優(yōu)勢，簡單來說就是可以將任務(wù)的執(zhí)行從線程的創(chuàng)建和管理中分離。另外，如果使用得當，它們可以極大提高應(yīng)用的性能。
如果你學(xué)會充分利用線程池，Java生態(tài)系統(tǒng)好處便是其中有很多成熟穩(wěn)定的線程池實現(xiàn)。
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