为什么要使用线程池？

线程是一个操作系统概念。操作系统负责这个线程的创建、挂起、运行、阻塞和终结操作。而操作系统创建线程、切换线程状态、终结线程都要进行CPU调度——这是一个耗费时间和系统资源的事情。  另一方面，大多数实际场景中是这样的：处理某一次请求的时间是非常短暂的，但是请求数量是巨大的。这种技术背景下，如果我们为每一个请求都单独创建一个线程，那么物理机的所有资源基本上都被操作系统创建线程、切换线程状态、销毁线程这些操作所占用，用于业务请求处理的资源反而减少了。所以最理想的处理方式是，将处理请求的线程数量控制在一个范围，既保证后续的请求不会等待太长时间，又保证物理机将足够的资源用于请求处理本身。  另外，一些操作系统是有最大线程数量限制的。当运行的线程数量逼近这个值的时候，操作系统会变得不稳定。这也是我们要限制线程数量的原因。

线程池的基本使用方式

JAVA语言为我们提供了两种基础线程池的选择：ScheduledThreadPoolExecutor和ThreadPoolExecutor。它们都实现了ExecutorService接口（注意，ExecutorService接口本身和“线程池”并没有直接关系，它的定义更接近“执行器”，而“使用线程管理的方式进行实现”只是其中的一种实现方式）。这篇文章中，我们主要围绕ThreadPoolExecutor类进行讲解。

ThreadPoolExecutor类的使用方式：

public class PoolThreadSimple {


    public static void main(String[] args) throws Throwable {

        /*
         * corePoolSize：核心大小，线程池初始化的时候，就会有这么大
         * maximumPoolSize：线程池最大线程数
         * keepAliveTime：如果当前线程池中线程数大于corePoolSize。
         * 多余的线程，在等待keepAliveTime时间后如果还没有新的线程任务指派给它，它就会被回收
         * 
         * unit：等待时间keepAliveTime的单位
         * 
         * workQueue：等待队列。这个对象的设置是本文将重点介绍的内容
         * */
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 1, TimeUnit.MINUTES, new SynchronousQueue());
        for(int index = 0 ; index < 10 ; index ++) {
            poolExecutor.submit(new PoolThreadSimple.TestRunnable(index));
        }

    }

    /**
     * 这个就是测试用的线程
     */
    private static class TestRunnable implements Runnable {

        /**
         * 日志
         */
        private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(TestRunnable.class);

        /**
         * 记录任务的唯一编号，这样在日志中好做识别
         */
        private Integer index;

        public TestRunnable(int index) {
            this.index = index;
        }

        /**
         * @return the index
         */
        public Integer getIndex() {
            return index;
        }

        @Override
        public void run() {
            /*
             * 线程中，就只做一件事情：
             * 等待60秒钟的事件，以便模拟业务操作过程
             * */
            Thread currentThread  = Thread.currentThread();
            TestRunnable.LOGGER.info("线程：" + currentThread.getId() + " 中的任务（" + this.getIndex() + "）开始执行===");
            synchronized (currentThread) {
                try {
                    currentThread.wait(60000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    TestRunnable.LOGGER.error(e.getMessage(), e);
                }
            }

            TestRunnable.LOGGER.info("线程：" + currentThread.getId() + " 中的任务（" + this.getIndex() + "）执行完成");
        }

    }
}

下文中，将对线程池中的corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、timeUnit、workQueue、threadFactory、handler参数和一些常用/不常用的设置项进行逐一讲解。

ThreadPoolExecutor逻辑结构和工作方式

在上面的代码中，我们创建线程池的时候使用了ThreadPoolExecutor中最简单的一个构造函数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue)

构造函数中需要传入的参数包括corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、timeUnit和workQueue。要明确理解这些参数（和后续将要介绍的参数）的含义，就首先要搞清楚ThreadPoolExecutor线程池的逻辑结构。   

一定要注意一个概念，即存在于线程池中容器的一定是Thread对象，而不是你要求运行的任务（所以叫线程池而不叫任务池也不叫对象池）；你要求运行的任务将被线程池分配给某一个空闲的Thread运行。  从上图中，我们可以看到构成线程池的几个重要元素： 

● 等待队列：顾名思义，就是你调用线程池对象的submit()方法或者execute()方法，要求线程池运行的任务（这些任务必须实现Runnable接口或者Callable接口）。但是出于某些原因线程池并没有马上运行这些任务，而是送入一个队列等待执行。

● 核心线程：线程池主要用于执行任务的是“核心线程”，“核心线程”的数量是你创建线程时所设置的corePoolSize参数决定的。如果不进行特别的设定，线程池中始终会保持corePoolSize数量的线程数（不包括创建阶段）。

● 非核心线程：一旦任务数量过多（由等待队列的特性决定），线程池将创建“非核心线程”临时帮助运行任务。你设置的大于corePoolSize参数小于maximumPoolSize参数的部分，就是线程池可以临时创建的“非核心线程”的最大数量。这种情况下如果某个线程没有运行任何任务，在等待keepAliveTime时间后，这个线程将会被销毁，直到线程池的线程数量重新达到corePoolSize。

● maximumPoolSize参数也是当前线程池允许创建的最大线程数量。那么如果设置的corePoolSize参数和设置的maximumPoolSize参数一致时，线程池在任何情况下都不会回收空闲线程。keepAliveTime和timeUnit也就失去了意义。

● keepAliveTime参数和timeUnit参数也是配合使用的。keepAliveTime参数指明等待时间的量化值，timeUnit指明量化值单位。例如keepAliveTime=1，timeUnit为TimeUnit.MINUTES，代表空闲线程的回收阀值为1分钟。

说完了线程池的逻辑结构，下面我们讨论一下线程池是怎样处理某一个运行任务的。 

1、首先可以通过线程池提供的submit()方法或者execute()方法，要求线程池执行某个任务。线程池收到这个要求执行的任务后，会有几种处理情况： 

    1.1、如果当前线程池中运行的线程数量还没有达到corePoolSize大小时，线程池会创建一个新的线程运行你的任务，无论之前已经创建的线程是否处于空闲状态。 

    1.2、如果当前线程池中运行的线程数量已经达到设置的corePoolSize大小，线程池会把你的这个任务加入到等待队列中。直到某一个的线程空闲了，线程池会根据设置的等待队列规则，从队列中取出一个新的任务执行。 

    1.3、如果根据队列规则，这个任务无法加入等待队列。这时线程池就会创建一个“非核心线程”直接运行这个任务。注意，如果这种情况下任务执行成功，那么当前线程池中的线程数量一定大于corePoolSize。 

    1.4、如果这个任务，无法被“核心线程”直接执行，又无法加入等待队列，又无法创建“非核心线程”直接执行，且你没有为线程池设置RejectedExecutionHandler。这时线程池会抛出RejectedExecutionException异常，即线程池拒绝接受这个任务。（实际上抛出RejectedExecutionException异常的操作，是ThreadPoolExecutor线程池中一个默认的RejectedExecutionHandler实现：AbortPolicy，这在后文会提到）  

2、一旦线程池中某个线程完成了任务的执行，它就会试图到任务等待队列中拿去下一个等待任务（所有的等待任务都实现了BlockingQueue接口，按照接口字面上的理解，这是一个可阻塞的队列接口），它会调用等待队列的poll()方法，并停留在哪里。 

3、当线程池中的线程超过你设置的corePoolSize参数，说明当前线程池中有所谓的“非核心线程”。那么当某个线程处理完任务后，如果等待keepAliveTime时间后仍然没有新的任务分配给它，那么这个线程将会被回收。线程池回收线程时，对所谓的“核心线程”和“非核心线程”是一视同仁的，直到线程池中线程的数量等于你设置的corePoolSize参数时，回收过程才会停止。

不常用的设置

在ThreadPoolExecutor线程池中，有一些不常用的甚至不需要的设置

allowCoreThreadTimeOut：

线程池回收线程只会发生在当前线程池中线程数量大于corePoolSize参数的时候；当线程池中线程数量小于等于corePoolSize参数的时候，回收过程就会停止。  allowCoreThreadTimeOut设置项可以要求线程池：将包括“核心线程”在内的，没有任务分配的任何线程，在等待keepAliveTime时间后全部进行回收：

以下是设置前的效果：

以下是设置后的效果：

prestartAllCoreThreads

前文我们还讨论到，当线程池中的线程还没有达到你设置的corePoolSize参数值的时候，如果有新的任务到来，线程池将创建新的线程运行这个任务，无论之前已经创建的线程是否处于空闲状态。这个描述可以用下面的示意图表示出来： 

prestartAllCoreThreads设置项，可以在线程池创建，但还没有接收到任何任务的情况下，先行创建符合corePoolSize参数值的线程数：

ThreadPoolExecutor poolExecutor =new ThreadPoolExecutor(5,10,1, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue(1));

poolExecutor.prestartAllCoreThreads();

我们继续讨论ThreadPoolExecutor线程池。上面给出的最简单的ThreadPoolExecutor线程池的使用方式中，我们只采用了ThreadPoolExecutor最简单的一个构造函数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue)

实际上ThreadPoolExecutor线程池有很多种构造函数，其中最复杂的一种构造函数是：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

在上文中我们还没有介绍的workQueue、threadFactory和handler参数，将是本文讲解的重点。

一：ThreadFactory的使用

线程池最主要的一项工作，就是在满足某些条件的情况下创建线程。而在ThreadPoolExecutor线程池中，创建线程的工作交给ThreadFactory来完成。要使用线程池，就必须要指定ThreadFactory。  类似于上文中，如果我们使用的构造函数时并没有指定使用的ThreadFactory，这个时候ThreadPoolExecutor会使用一个默认的ThreadFactory：DefaultThreadFactory。（这个类在Executors工具类中）

当然，在某些特殊业务场景下，还可以使用一个自定义的ThreadFactory线程工厂，如下代码片段：

import java.util.concurrent.ThreadFactory;

/**
 * 测试自定义的一个线程工厂
 */
public class TestThreadFactory implements ThreadFactory {

    @Override
    public Thread newThread(Runnable r) {

        return new Thread(r);
    }
}

二：线程池的等待队列

在使用ThreadPoolExecutor线程池的时候，需要指定一个实现了BlockingQueue接口的任务等待队列。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中，一共推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue；

队列和栈

● 队列：是一种特殊的线性结构，允许在线性结构的前端进行删除/读取操作；允许在线性结构的后端进行插入操作；这种线性结构具有“先进先出”的操作特点：

但是在实际应用中，队列中的元素有可能不是以“进入的顺序”为排序依据的。例如我们将要讲到的PriorityBlockingQueue队列。

● 栈：栈也是一种线性结构，但是栈和队列相比只允许在线性结构的一端进行操作，入栈和出栈都是在一端完成。

2.1有限队列

● SynchronousQueue：

“是这样 一种阻塞队列，其中每个 put 必须等待一个 take，反之亦然。同步队列没有任何内部容量。翻译一下：这是一个内部没有任何容量的阻塞队列，任何一次插入操作的元素都要等待相对的删除/读取操作，否则进行插入操作的线程就要一直等待，反之亦然。

SynchronousQueue<Object> queue = new SynchronousQueue<Object>();
// 不要使用add，因为这个队列内部没有任何容量，所以会抛出异常“IllegalStateException”
// queue.add(new Object());
// 操作线程会在这里被阻塞，直到有其他操作线程取走这个对象
queue.put(new Object());

● 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。新元素插入到队列的尾部，队列获取操作则是从队列头部开始获得元素。这是一个典型的“有界缓存区”，固定大小的数组在其中保持生产者插入的元素和使用者提取的元素。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。

// 我们创建了一个ArrayBlockingQueue，并且设置队列空间为2
ArrayBlockingQueue<Object> arrayQueue = new ArrayBlockingQueue<Object>(2);
// 插入第一个对象
arrayQueue.put(new Object());
// 插入第二个对象
arrayQueue.put(new Object());
// 插入第三个对象时，这个操作线程就会被阻塞。
arrayQueue.put(new Object());
// 请不要使用add操作，和SynchronousQueue的add操作一样，它们都使用了AbstractQueue中的add实现

2.2无限队列

● LinkedBlockingQueue：

LinkedBlockingQueue是我们在ThreadPoolExecutor线程池中常用的等待队列。它可以指定容量也可以不指定容量。由于它具有“无限容量”的特性，所以我还是将它归入了无限队列的范畴（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）。  LinkedBlockingQueue的实现是基于链表结构，而不是类似ArrayBlockingQueue那样的数组。但实际使用过程中，不需要关心它的内部实现，如果指定了LinkedBlockingQueue的容量大小，那么它反映出来的使用特性就和ArrayBlockingQueue类似了。

LinkedBlockingQueue<Object> linkedQueue = new LinkedBlockingQueue<Object>(2);
linkedQueue.put(new Object());
// 插入第二个对象
linkedQueue.put(new Object());
// 插入第三个对象时，这个操作线程就会被阻塞。
linkedQueue.put(new Object());

=======================================

// 或者如下使用：
LinkedBlockingQueue<Object> linkedQueue = new LinkedBlockingQueue<Object>();
linkedQueue.put(new Object());
// 插入第二个对象
linkedQueue.put(new Object());
// 插入第N个对象时，都不会阻塞
linkedQueue.put(new Object());

● LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个基于链表的双端队列。LinkedBlockingQueue的内部结构决定了它只能从队列尾部插入，从队列头部取出元素；但是LinkedBlockingDeque既可以从尾部插入/取出元素，还可以从头部插入元素/取出元素。

LinkedBlockingDeque linkedDeque = new LinkedBlockingDeque();
// push ，可以从队列的头部插入元素
linkedDeque.push(new TempObject(1));
linkedDeque.push(new TempObject(2));
linkedDeque.push(new TempObject(3));
// poll ， 可以从队列的头部取出元素
TempObject tempObject = linkedDeque.poll();
// 这里会打印 tempObject.index = 3
System.out.println("tempObject.index = " + tempObject.getIndex());

// put ， 可以从队列的尾部插入元素
linkedDeque.put(new TempObject(4));
linkedDeque.put(new TempObject(5));
// pollLast , 可以从队列尾部取出元素
tempObject = linkedDeque.pollLast();
// 这里会打印 tempObject.index = 5
System.out.println("tempObject.index = " + tempObject.getIndex());

● PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个按照优先级进行内部元素排序的无限队列。存放在PriorityBlockingQueue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，也不保证当前队列中除了优先级最高的元素以外的元素，随时处于正确排序的位置。  这是什么意思呢？PriorityBlockingQueue并不保证除了队列头部以外的元素排序一定是正确的。请看下面的示例代码：

PriorityBlockingQueue priorityQueue = new PriorityBlockingQueue();
priorityQueue.put(new TempObject(-5));
priorityQueue.put(new TempObject(5));
priorityQueue.put(new TempObject(-1));
priorityQueue.put(new TempObject(1));

// 第一个元素是5
// 实际上在还没有执行priorityQueue.poll()语句的时候，队列中的第二个元素不一定是1
TempObject targetTempObject = priorityQueue.poll();
System.out.println("tempObject.index = " + targetTempObject.getIndex());
// 第二个元素是1
targetTempObject = priorityQueue.poll();
System.out.println("tempObject.index = " + targetTempObject.getIndex());
// 第三个元素是-1
targetTempObject = priorityQueue.poll();
System.out.println("tempObject.index = " + targetTempObject.getIndex());
// 第四个元素是-5
targetTempObject = priorityQueue.poll();
System.out.println("tempObject.index = " + targetTempObject.getIndex());

// 这个元素类，必须实现Comparable接口
private static class TempObject implements Comparable<TempObject> {
    private int index;

    public TempObject(int index) {
        this.index = index;
    }

    /**
     * @return the index
     */
    public int getIndex() {
        return index;
    }

    /* (non-Javadoc)
     * @see java.lang.Comparable#compareTo(java.lang.Object)
     */
    @Override
    public int compareTo(TempObject o) {
        return o.getIndex() - this.index;
    }

}

● LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue也是一个无限队列，它除了具有一般队列的操作特性外（先进先出），还具有一个阻塞特性：LinkedTransferQueue可以由一对生产者/消费者线程进行操作，当消费者将一个新的元素插入队列后，消费者线程将会一直等待，直到某一个消费者线程将这个元素取走，反之亦然。  LinkedTransferQueue的操作特性可以由下面这段代码提现。在下面的代码片段中，有两中类型的线程：生产者和消费者，这两类线程互相等待对方的操作：

/**
 * 生产者线程
 */
private static class ProducerRunnable implements Runnable {

    private LinkedTransferQueue linkedQueue;

    public ProducerRunnable(LinkedTransferQueue linkedQueue) {
        this.linkedQueue = linkedQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int index = 1 ; ; index++) {
            try {
                // 向LinkedTransferQueue队列插入一个新的元素
                // 然后生产者线程就会等待，直到有一个消费者将这个元素从队列中取走
                this.linkedQueue.transfer(new TempObject(index));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace(System.out);
            }
        }
    }
}

/**
 * 消费者线程
 */
private static class ConsumerRunnable implements Runnable {

    private LinkedTransferQueue linkedQueue;

    public ConsumerRunnable(LinkedTransferQueue linkedQueue) {
        this.linkedQueue = linkedQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();

        while(!currentThread.isInterrupted()) {
            try {
                // 等待，直到从LinkedTransferQueue队列中得到一个元素
                TempObject targetObject = this.linkedQueue.take();
                System.out.println("线程（" + currentThread.getId() + "）取得targetObject.index = " + targetObject.getIndex());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace(System.out);
            }
        }
    }
}

=====以下是启动代码：

LinkedTransferQueue<TempObject> linkedQueue = new LinkedTransferQueue<TempObject>();
// 这是一个生产者线程
Thread producerThread = new Thread(new ProducerRunnable(linkedQueue));
// 这里有两个消费者线程
Thread consumerRunnable1 = new Thread(new ConsumerRunnable(linkedQueue));
Thread consumerRunnable2 = new Thread(new ConsumerRunnable(linkedQueue));

// 开始运行
producerThread.start();
consumerRunnable1.start();
consumerRunnable2.start();

// 这里只是为了main不退出，没有任何演示含义
Thread currentThread = Thread.currentThread();
synchronized (currentThread) {
    currentThread.wait();
}

三：拒绝任务（handler）

在ThreadPoolExecutor线程池中还有一个重要的接口：RejectedExecutionHandler。当提交给线程池的某一个新任务无法直接被线程池中“核心线程”直接处理，又无法加入等待队列，也无法创建新的线程执行；又或者线程池已经调用shutdown()方法停止了工作；又或者线程池不是处于正常的工作状态；这时候ThreadPoolExecutor线程池会拒绝处理这个任务，触发创建ThreadPoolExecutor线程池时定义的RejectedExecutionHandler接口的实现

在创建ThreadPoolExecutor线程池时，一定会指定RejectedExecutionHandler接口的实现。如果调用的是不需要指定RejectedExecutionHandler接口的构造函数，如：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue)


public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory)

那么ThreadPoolExecutor线程池在创建时，会使用一个默认的RejectedExecutionHandler接口实现，源代码片段如下：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {

    ......

    /**
     * The default rejected execution handler
     */
    private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
        new AbortPolicy();

    ......

    // 可以看到，ThreadPoolExecutor中的两个没有指定RejectedExecutionHandler
    // 接口的构造函数，都是使用了一个RejectedExecutionHandler接口的默认实现：Abnull