16.8 线程池

系统启动一个新线程的成本是比较高的,因为它涉及与操作系统交互。在这种情形下,使用线程池可以很好地提高性能,尤其是当程序中需要创建大量生存期很短暂的线程时,更应该考虑使用线程池。
与数据库连接池类似的是,线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程,程序将一个Runnable对象或Callable对象传给线程池,线程池就会启动一个空闲的线程来执行它们的run()或call()方法,当run()或call()方法执行结束后,该线程并不会死亡,而是再次返回线程池中成为空闲状态,等待执行下一个Runnable对象的run()(或cal()方法。
除此之外,使用线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量,当系统中包含大量并发线程时,会导致系统性能剧烈下降,甚至导致JVM崩溃,而线程池的最大线程数参数可以控制系统中并发线程数不超过此数。

16.8.1 Java8改进的线程池

Executors类

在Java5以前,开发者必须手动实现自己的线程池;从Java5开始,Java内建支持线程池。Java5新增了一个Executors工厂类来产生线程池,该工厂类包含如下几个静态工厂方法来创建线程池

创建ExecutorService线程池

Executors类方法	描述
static ExecutorService newCachedThreadPool()	创建一个具有缓存功能的线程池,系统根据需要创建线程,这些线程将会被缓存在线程池中。
static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)	创建一个可重用的、具有固定线程数的线程池。
static ExecutorService newSingleThreadExecutor()	创建一个只有单线程的线程池,它相当于调用newFixedThreadPool()方法时传入参数为1。

ExecutorService对象对象代表一个线程池,它可以执行Runnable对象或Callable对象所代表的线程;

创建ScheduledExecutorService线程池

Executors类方法	描述
static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)	创建具有指定线程数的线程池,它可以在指定延迟后执行线程任务。 corePoolSize指池中所保存的线程数,即使线程是空闲的也被保存在线程池内。
static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()	创建只有一个线程的线程池,它可以在指定延迟后执行线程任务。

ScheduledExecutorService是ExecutorService的子类,它可以在指定延迟后执行线程任务;

java8 新增的workStealing池

方法	描述
static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism)	创建持有足够的线程的线程池来支持给定的并行级别,该方法还会使用多个队列来减少竞争。
static ExecutorService newWorkStealingPool()	该方法是前一个方法的简化版本。如果当前机器有4个CPU,则目标并行级别被设置为4,也就是相当于为前一个方法传入4作为参数。

这两个方法则是Java8新增的,这两个方法可充分利用多CPU并行的能力。这两个方法生成的workStealing池,都相当于后台线程池,如果所有的前台线程都死亡了,workStealing池中的线程会自动死亡。
由于目前计算机硬件的发展日新月异,即使普通用户使用的电脑通常也都是多核CPU,因此Java8在线程支持上也增加了利用多CPU并行的能力,这样可以更好地发挥底层硬件的性能。

尽快执行线程池ExecutorService

ExecutorService代表尽快执行线程的线程池(只要线程池中有空闲线程,就立即执行线程任务),程序只要将一个Runnable对象或Callable对象(代表线程任务)提交给该线程池,该线程池就会尽快执行该任务。

ExecutorService里提供了如下三个方法。

方法	描述
Future<?> submit(Runnable task)	将一个Runnable对象提交给指定的线程池,线程池将在有空闲线程时执行Runnable对象代表的任务。 其中Future对象代表Runnable任务的返回值——但run()方法没有返回值, 所以Future对象将在run()方法执行结束后返回null, 但可以调用Future的isDone()、isCancelled()方法来获得Runnable对象的执行状态。
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result)	将一个Runnable对象提交给指定的线程池,线程池将在有空闲线程时执行Runnable对象代表的任务。 其中result显式指定线程执行结束后的返回值, 所以Future对象将在run()方法执行结束后返回result
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)	将一个Callable对象提交给指定的线程池,线程池将在有空闲线程时执行Callable对象代表的任务。 其中Future代表Callable对象里call()方法的返回值。

延迟周期线程池ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService代表可在指定延迟后或周期性地执行线程任务的线程池,它提供了如下4个方法。

方法	描述
ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)	指定command任务将在delay延迟后执行。
<V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)	指定callable任务将在delay延迟后执行。
ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)	指定command任务将在delay延迟后执行,而且以设定频率重复执行。也就是说,在initialDelay后开始执行,依次在initialDelay+Period、initialDelay+2*period,…,处重复执行,依此类推。
ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)	创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作,随后在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。如果任务在任一次执行时遇到异常,就会取消后续执行;否则,只能通过程序来显式取消或终止该任务。

关闭线程池

shutdown方法

用完一个线程池后,应该调用该线程池的shutdown方法,该方法将启动线程池的关闭序列,调用shutdown()方法后的线程池不再接收新任务,但会将以前所有已提交任务执行完成。当线程池中的所有任务都执行完成后,池中的所有线程都会死亡;

shutdownNow方法

另外也可以调用线程池的shutdownNow()方法来关闭线程池,该方法试图停止所有正在执行的活动任务,暂停处理正在等待的任务,并返回等待执行的任务列表。

方法	描述
void shutdown()	Initiates an orderly shutdown in which previously submitted tasks are executed, but no new tasks will be accepted.
List<Runnable> shutdownNow()	Attempts to stop all actively executing tasks, halts the processing of waiting tasks, and returns a list of the tasks that were awaiting execution.

使用线程池步骤

使用线程池来执行线程任务的步骤如下:

1. 调用Executors类的静态工厂方法创建一个ExecutorService对象,该对象代表一个线程池。
2. 创建Runnable实现类或Callable实现类的实例,作为线程执行任务。
3. 调用ExecutorService对象的submit方法来提交Runnable实例或Callable实例。
4. 当不想提交任何任务时,调用ExecutorService对象的shutdown()方法来关闭线程池。

程序 使用线程池

下面程序使用线程池来执行指定Runnable对象所代表的任务

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建足够的线程来支持4个CPU并行的线程池
        // 创建一个具有固定线程数（6）的线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(6);
        // 使用Lambda表达式创建Runnable对象
        Runnable target = () -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "的i值为:" + i);
            }
        };
        // 向线程池中提交两个线程
        pool.submit(target);
        pool.submit(target);
        // 关闭线程池
        pool.shutdown();
    }
}

上面程序中创建Runnable实现类与最开始创建线程池并没有太大差别,创建了Runnable实现类之后程序没有直接创建线程、启动线程来执行该Runnable任务,而是通过线程池来执行该任务,使用线程池来执行Runnable任务的代码如程序中粗体字代码所示。运行上面程序,将看到两个线程交替执行的效果,如下所示:

pool-1-thread-1的i值为:0
pool-1-thread-2的i值为:0 
pool-1-thread-1的i值为:1 
pool-1-thread-2的i值为:1 
pool-1-thread-2的i值为:2 
......
pool-1-thread-1的i值为:98
pool-1-thread-2的i值为:97
pool-1-thread-1的i值为:99
pool-1-thread-2的i值为:98
pool-1-thread-2的i值为:99