四种线程池的创建及任务提交

1. 线程池概述

1.1 线程池的定义

        线程池是管理和控制线程使用的一种手段。它通过提前创建一定数量的线程，并将任务提交给这些线程执行，来实现资源的合理分配和任务的高效处理。

关键点：

  • 线程复用：线程池在任务执行完毕后，不会销毁线程，而是让线程继续等待下一个任务。
  • 任务调度：线程池可以通过队列对任务进行排序和分发，确保资源合理利用。
  • 统一管理：线程池对线程的创建、销毁、调度进行统一管理，避免资源浪费。

1.2 为什么使用线程池？

使用线程池可以带来以下好处：

  1. 避免频繁创建销毁线程的开销

    • 每次创建线程需要分配资源，如内存堆栈、CPU 调度等，销毁线程也需要一定的代价。
    • 线程池通过线程复用机制，减少了这种频繁操作的系统开销。

  2. 限制并发数量，防止系统过载

    • 无限制地创建线程可能导致系统资源耗尽，甚至引发宕机。
    • 线程池通过设置最大线程数量，合理控制并发任务数。

  3. 提高任务响应速度

    • 线程池中的线程是提前创建好的，当有新任务时可以立即分配线程执行，而无需等待线程创建。

  4. 统一管理任务队列和线程生命周期

    • 线程池可以管理任务的执行顺序，提供优先级支持，并统一处理线程的生命周期。

1.3 线程池的工作原理

线程池的基本工作流程如下：

  1. 任务提交：

    • 用户将任务提交给线程池，任务可以是实现了 Runnable 或 Callable 接口的对象。
    • 线程池会将任务放入任务队列中等待执行。

  2. 线程分配：

    • 如果线程池中有空闲线程，则立即分配线程执行任务。
    • 如果没有空闲线程，且线程池未达到最大线程数，则创建新线程来处理任务。
    • 如果线程数已达上限，任务会进入等待队列，直到有空闲线程可用。

  3. 任务执行：

    • 被分配的线程从任务队列中取出任务，调用 run() 或 call() 方法来执行任务逻辑。

  4. 线程回收：

    • 任务执行完毕后，线程不会被销毁，而是返回线程池等待下一次任务分配。
    • 如果线程长时间空闲且超出线程池的核心线程数限制，线程会被销毁以节约资源。

工作原理图：

任务提交 → 加入任务队列 → 分配线程 → 任务执行 → 线程回收

1.4 线程池的核心参数

线程池的行为主要由以下核心参数控制：

  1. 核心线程数（corePoolSize）：

    • 线程池中始终保持的线程数量，即使线程处于空闲状态也不会回收。
    • 适合设置为系统平均负载的并发数量。

  2. 最大线程数（maximumPoolSize）：

    • 线程池中允许创建的最大线程数量，控制资源消耗的上限。

  3. 任务队列（workQueue）：

    • 用于保存待执行任务的队列类型，如 ArrayBlockingQueue 或 LinkedBlockingQueue。

  4. 线程存活时间（keepAliveTime）：

    • 超过核心线程数的线程在空闲状态下能存活的时间，适用于动态调整线程池规模。

  5. 线程工厂（ThreadFactory）：

    • 定制线程的创建方式，如线程命名、优先级设置等。

  6. 任务拒绝策略（RejectedExecutionHandler）：

    • 当线程池及其队列都满了时，如何处理新提交的任务：
      • AbortPolicy：直接抛出异常（默认策略）。
      • CallerRunsPolicy：由提交任务的线程自己执行任务。
      • DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛异常。
      • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务。

2. 提交任务的方法

线程池的任务提交方式主要分为以下两种，分别对应不同的应用场景和返回值需求。

2.1 提交方式一：execute() 方法

execute() 是线程池的基本任务提交方法，适用于不需要任务执行结果的场景。

方法定义：

void execute(Runnable command)

工作原理：

  1. 将任务提交到线程池。
  2. 如果线程池中有空闲线程，立即执行任务。
  3. 如果没有空闲线程，任务将被放入任务队列。
  4. 如果队列已满且线程数已达最大值，则触发拒绝策略。

示例代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExecuteExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小为3的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        // 提交任务
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            int taskId = i;
            executorService.execute(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务耗时
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("任务 " + taskId + " 执行完毕");
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

输出示例：

任务 1 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 2 正在执行，线程：pool-1-thread-2
任务 3 正在执行，线程：pool-1-thread-3
任务 1 执行完毕
任务 4 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 2 执行完毕
...

优点：

  • 简单快捷。
  • 适合不需要返回值的任务。

注意：

  • 无法直接获取任务的执行结果。
  • 如果任务中抛出异常，可能无法感知。

2.2 提交方式二：submit() 方法

submit() 方法更灵活，可以用来提交 Runnable 或 Callable 任务，并返回一个 Future 对象，以便在后续获取任务执行结果。

方法定义：

<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
Future<?> submit(Runnable task)

工作原理：

  1. 将任务提交到线程池。
  2. 任务执行后，结果会存储在 Future 对象中。
  3. 可以通过 Future 的 get() 方法获取结果，或在任务未完成时进行阻塞等待。

示例代码：

import java.util.concurrent.*;

public class SubmitExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 创建一个固定大小为2的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

        // 提交 Runnable 任务
        Future<?> runnableFuture = executorService.submit(() -> {
            System.out.println("Runnable 任务正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
        });

        // 提交 Callable 任务
        Future<String> callableFuture = executorService.submit(() -> {
            System.out.println("Callable 任务正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
            return "任务结果";
        });

        // 等待任务完成并获取结果
        System.out.println("Callable 任务的返回值：" + callableFuture.get());

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

输出示例：

Runnable 任务正在执行，线程：pool-1-thread-1
Callable 任务正在执行，线程：pool-1-thread-2
Callable 任务的返回值：任务结果

优点：

  • 支持返回结果（适用于 Callable）。
  • 可以通过 Future 检测任务完成状态或取消任务。

注意：

  • get() 方法会阻塞当前线程，直到任务完成。
  • 如果任务抛出异常，Future.get() 会抛出 ExecutionException。

2.3 两种提交方法的对比

特性execute()submit()
任务类型仅支持 Runnable支持 Runnable 和 Callable
返回值无返回值返回 Future，可获取结果或检查状态
任务抛出异常的处理方式可能被忽略通过 Future.get() 抛出异常
使用场景不关心任务结果的简单任务需要获取任务结果或处理异常的场景

小结：

  • execute() 是基础的任务提交方式，适合无结果任务。
  • submit() 更灵活，适合需要结果或异常处理的任务。

3. 四种线程池的创建

        Java 提供了 Executors 工具类，用于快速创建常见类型的线程池。这些线程池类型根据不同的需求场景设计，可以有效管理线程的创建和回收。

3.1 创建方式一：固定大小线程池（FixedThreadPool）

特点：

  • 拥有固定数量的线程。
  • 无论有多少任务，线程池中的线程数量始终保持不变。
  • 任务超出线程数量时，将进入任务队列等待执行。

适用场景：

  • 稳定且长期运行的任务，线程数量可根据系统资源确定。

创建方式：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads);

示例代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class FixedThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建固定大小为3的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        // 提交5个任务
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            int taskId = i;
            executorService.execute(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务耗时
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

运行效果： 固定数量的线程执行任务，其余任务在队列中等待：

任务 1 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 2 正在执行，线程：pool-1-thread-2
任务 3 正在执行，线程：pool-1-thread-3
任务 4 等待执行
任务 5 等待执行

3.2 创建方式二：单线程线程池（SingleThreadExecutor）

特点：

  • 只有一个线程在执行任务。
  • 所有任务会按照提交的顺序（FIFO，先进先出）执行。
  • 适合需要顺序执行任务的场景。

适用场景：

  • 确保任务按顺序执行。
  • 不需要并发操作时，例如日志记录。

创建方式：

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();

示例代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SingleThreadExecutorExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建单线程线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // 提交3个任务
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            int taskId = i;
            executorService.execute(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

运行效果： 任务严格按顺序执行：

任务 1 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 2 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 3 正在执行，线程：pool-1-thread-1

3.3 创建方式三：缓存线程池（CachedThreadPool）

特点：

  • 线程数量不固定，动态调整。
  • 如果有空闲线程可用，则复用空闲线程；如果没有空闲线程，则创建新线程。
  • 空闲线程超过 60 秒未使用会被销毁。

适用场景：

  • 大量短期任务，且任务数量不确定。

创建方式：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

示例代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CachedThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓存线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        // 提交10个任务
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            int taskId = i;
            executorService.execute(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程：" + Thread.currentThread().getName());
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

运行效果： 任务数量多时，会快速创建新线程：

任务 1 正在执行，线程：pool-1-thread-1
任务 2 正在执行，线程：pool-1-thread-2
...
任务 10 正在执行，线程：pool-1-thread-10

3.4 创建方式四：定时线程池（ScheduledThreadPool）

特点：

  • 用于执行定时任务或周期性任务。
  • 可以延迟执行任务或按照固定时间间隔循环执行任务。

适用场景：

  • 周期性任务调度，例如定时备份、定时发送邮件。

创建方式：

ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize);

示例代码：

import java.util.concurrent.*;

public class ScheduledThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建定时线程池
        ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(2);

        // 延迟3秒执行任务
        scheduledExecutorService.schedule(() -> {
            System.out.println("延迟执行任务，线程：" + Thread.currentThread().getName());
        }, 3, TimeUnit.SECONDS);

        // 每2秒执行一次任务
        scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("周期性任务，线程：" + Thread.currentThread().getName());
        }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

运行效果：

  • 延迟 3 秒后执行一次任务。
  • 每 2 秒执行一次周期性任务。

小结

类型特点适用场景
FixedThreadPool固定线程数量，任务超出进入队列稳定并发任务
SingleThreadExecutor单线程，顺序执行任务需要任务严格按顺序执行的场景
CachedThreadPool线程数量动态调整短期、大量任务，任务数不确定
ScheduledThreadPool支持定时和周期性任务定时任务和循环任务

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