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java中常見的六種線程池詳解

之前我們介紹了線程池的四種拒絕策略，了解了線程池參數的含義，那么今天我們來聊聊Java 中常見的幾種線程池，以及在jdk7 加入的 ForkJoin 新型線程池
首先我們列出Java 中的六種線程池如下

線程池名稱	描述
FixedThreadPool	核心線程數與最大線程數相同
SingleThreadExecutor	一個線程的線程池
CachedThreadPool	核心線程為0，最大線程數為Integer. MAX_VALUE
ScheduledThreadPool	指定核心線程數的定時線程池
SingleThreadScheduledExecutor	單例的定時線程池
ForkJoinPool	JDK 7 新加入的一種線程池

在了解集中線程池時我們先來熟悉一下主要幾個類的關系，ThreadPoolExecutor 的類圖，以及 Executors 的主要方法：

java中常見的六種線程池詳解

上面看到的類圖，方便幫助下面的理解和查看，我們可以看到一個核心類 ExecutorService , 這是我們線程池都實現的基類，我們接下來說的都是它的實現類。

FixedThreadPool

FixedThreadPool 線程池的特點是它的核心線程數和最大線程數一樣，我們可以看它的實現代碼在 Executors#newFixedThreadPool(int) 中，如下：

    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

我們可以看到方法內創建線程調用的實際是 ThreadPoolExecutor 類，這是線程池的核心執行器，傳入的 nThread 參數作為核心線程數和最大線程數傳入，隊列采用了一個鏈表結構的有界隊列。

這種線程池我們可以看作是固定線程數的線程池，它只有在開始初始化的時候線程數會從0開始創建，但是創建好后就不再銷毀，而是全部作為常駐線程池，這里如果對線程池參數不理解的可以看之前文章《解釋線程池各個參數的含義》。
對于這種線程池他的第三個和第四個參數是沒意義，它們是空閑線程存活時間，這里都是常駐不存在銷毀，當線程處理不了時會加入到阻塞隊列，這是一個鏈表結構的有界阻塞隊列，最大長度是Integer. MAX_VALUE

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor 線程的特點是它的核心線程數和最大線程數均為1，我們也可以將其任務是一個單例線程池，它的實現代碼是Executors#newSingleThreadExcutor() , 如下：

    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }

    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                    threadFactory));
    }

上述代碼中我們發現它有一個重載函數，傳入了一個ThreadFactory 的參數，一般在我們開發中會傳入我們自定義的線程創建工廠，如果不傳入則會調用默認的線程工廠
我們可以看到它與 FixedThreadPool 線程池的區別僅僅是核心線程數和最大線程數改為了1，也就是說不管任務多少，它只會有唯一的一個線程去執行
如果在執行過程中發生異常等導致線程銷毀，線程池也會重新創建一個線程來執行后續的任務
這種線程池非常適合所有任務都需要按被提交的順序來執行的場景，是個單線程的串行。

CachedThreadPool

cachedThreadPool 線程池的特點是它的常駐核心線程數為0，正如其名字一樣，它所有的縣城都是臨時的創建，關于它的實現在 Executors#newCachedThreadPool() 中，代碼如下：

    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

    public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

從上述代碼中我們可以看到 CachedThreadPool 線程池中，最大線程數為 Integer.MAX_VALUE , 意味著他的線程數幾乎可以無限增加。
因為創建的線程都是臨時線程，所以他們都會被銷毀，這里空閑線程銷毀時間是60秒，也就是說當線程在60秒內沒有任務執行則銷毀
這里我們需要注意點，它使用了 SynchronousQueue 的一個阻塞隊列來存儲任務，這個隊列是無法存儲的，因為他的容量為0，它只負責對任務的傳遞和中轉，效率會更高，因為核心線程都為0，這個隊列如果存儲任務不存在意義。

ScheduledThreadPool

ScheduledThreadPool 線程池是支持定時或者周期性執行任務，他的創建代碼 Executors.newSchedsuledThreadPool(int) 中，如下所示：

    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }

    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
            int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }

我們發現這里調用了 ScheduledThreadPoolExecutor 這個類的構造函數，進一步查看發現 ScheduledThreadPoolExecutor 類是一個繼承了 ThreadPoolExecutor 的，同時實現了 ScheduledExecutorService 接口，我們看到它的幾個構造函數都是調用父類 ThreadPoolExecutor 的構造函數

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       ThreadFactory threadFactory) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
    }

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), handler);
    }

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       ThreadFactory threadFactory,
                                       RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), threadFactory, handler);
    }

從上面代碼我們可以看到和其他線程池創建并沒有差異，只是這里的任務隊列是 DelayedWorkQueue 關于阻塞丟列我們下篇文章專門說，這里我們先創建一個周期性的線程池來看一下

    public static void main(String[] args) {
        ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        // 1. 延遲一定時間執行一次
        service.schedule(() ->{
            System.out.println("schedule ==> 云棲簡碼-i-code.online");
        },2, TimeUnit.SECONDS);

        // 2. 按照固定頻率周期執行
        service.scheduleAtFixedRate(() ->{
            System.out.println("scheduleAtFixedRate ==> 云棲簡碼-i-code.online");
        },2,3,TimeUnit.SECONDS);

        //3. 按照固定頻率周期執行
        service.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            System.out.println("scheduleWithFixedDelay ==> 云棲簡碼-i-code.online");
        },2,5,TimeUnit.SECONDS);

    }

上面代碼是我們簡單創建了 newScheduledThreadPool ，同時演示了里面的三個核心方法，首先看執行的結果：

java中常見的六種線程池詳解

首先我們看第一個方法 schedule , 它有三個參數，第一個參數是線程任務，第二個delay 表示任務執行延遲時長，第三個unit 表示延遲時間的單位，如上面代碼所示就是延遲兩秒后執行任務

 public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);

第二個方法是 scheduleAtFixedRate 如下, 它有四個參數，command 參數表示執行的線程任務，initialDelay 參數表示第一次執行的延遲時間，period 參數表示第一次執行之后按照多久一次的頻率來執行，最后一個參數是時間單位。如上面案例代碼所示，表示兩秒后執行第一次，之后按每隔三秒執行一次

    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

第三個方法是 scheduleWithFixedDelay 如下，它與上面方法是非常類似的，也是周期性定時執行, 參數含義和上面方法一致。這個方法和 scheduleAtFixedRate 的區別主要在于時間的起點計時不同

    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

scheduleAtFixedRate 是以任務開始的時間為時間起點來計時，時間到就執行第二次任務，與任務執行所花費的時間無關；而 scheduleWithFixedDelay 是以任務執行結束的時間點作為計時的開始。如下所示

java中常見的六種線程池詳解

SingleThreadScheduledExecutor

它實際和 ScheduledThreadPool 線程池非常相似，它只是 ScheduledThreadPool的一個特例，內部只有一個線程，它只是將 ScheduledThreadPool 的核心線程數設置為了 1。如源碼所示：

    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
        return new DelegatedScheduledExecutorService
            (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
    }

上面我們介紹了五種常見的線程池，對于這些線程池我們可以從核心線程數、最大線程數、存活時間三個維度進行一個簡單的對比，有利于我們加深對這幾種線程池的記憶。

	FixedThreadPool	SingleThreadExecutor	CachedThreadPool	ScheduledThreadPool	SingleThreadScheduledExecutor
corePoolSize	構造函數傳入	1	0	構造函數傳入	1
maxPoolSize	同corePoolSize	1	Integer. MAX_VALUE	Integer. MAX_VALUE	Integer. MAX_VALUE
keepAliveTime	0	0	60	0	0

ForkJoinPool

ForkJoinPool 這是一個在 JDK7 引入的新新線程池，它的主要特點是可以充分利用多核CPU , 可以把一個任務拆分為多個子任務，這些子任務放在不同的處理器上并行執行，當這些子任務執行結束后再把這些結果合并起來，這是一種分治思想。
ForkJoinPool 也正如它的名字一樣，第一步進行 Fork 拆分，第二步進行 Join 合并，我們先來看一下它的類圖結構

java中常見的六種線程池詳解

ForkJoinPool 的使用也是通過調用 submit(ForkJoinTask<T> task)或 invoke(ForkJoinTask<T> task) 方法來執行指定任務了。其中任務的類型是 ForkJoinTask 類，它代表的是一個可以合并的子任務，他本身是一個抽象類，同時還有兩個常用的抽象子類 RecursiveAction 和 RecursiveTask ，其中 RecursiveTask 表示的是有返回值類型的任務，而 RecursiveAction 則表示無返回值的任務。下面是它們的類圖：

java中常見的六種線程池詳解

下面我們通過一個簡單的代碼先來看一下如何使用 ForkJoinPool 線程池


/**
 * @url: i-code.online
 * @author: AnonyStar
 * @time: 2020/11/2 10:01
 */
public class ForkJoinApp1 {

    /**
        目標： 打印0-200以內的數字，進行分段每個間隔為10以上，測試forkjoin
    */
    public static void main(String[] args) {
        // 創建線程池，
        ForkJoinPool joinPool = new ForkJoinPool();
        // 創建根任務
        SubTask subTask = new SubTask(0,200);
        // 提交任務
        joinPool.submit(subTask);
        //讓線程阻塞等待所有任務完成 在進行關閉
        try {
            joinPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        joinPool.shutdown();
    }
}

class  SubTask extends RecursiveAction {

    int startNum;
    int endNum;

    public SubTask(int startNum,int endNum){
        super();
        this.startNum = startNum;
        this.endNum = endNum;
    }

    @Override
    protected void compute() {

        if (endNum - startNum < 10){
            // 如果分裂的兩者差值小于10 則不再繼續，直接打印
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": [startNum:"+startNum+",endNum:"+endNum+"]");
        }else {
            // 取中間值
            int middle = (startNum + endNum) / 2;
            //創建兩個子任務，以遞歸思想，
            SubTask subTask = new SubTask(startNum,middle);
            SubTask subTask1 = new SubTask(middle,endNum);
            //執行任務， fork() 表示異步的開始執行
            subTask.fork();
            subTask1.fork();
        }
    }
}

結果： java中常見的六種線程池詳解

從上面的案例我們可以看到我們，創建了很多個線程執行，因為我測試的電腦是12線程的，所以這里實際是創建了12個線程，也側面說明了充分調用了每個處理的線程處理能力
上面案例其實我們發現很熟悉的味道，那就是以前接觸過的遞歸思想，將上面的案例圖像化如下，更直觀的看到，

java中常見的六種線程池詳解

上面的例子是無返回值的案例，下面我們來看一個典型的有返回值的案例，相信大家都聽過及很熟悉斐波那契數列，這個數列有個特點就是最后一項的結果等于前兩項的和，如： 0，1，1，2，3，5...f(n-2)+f(n-1), 即第0項為0 ，第一項為1，則第二項為 0+1=1，以此類推。我們最初的解決方法就是使用遞歸來解決，如下計算第n項的數值：

    private int num(int num){
        if (num <= 1){
            return num;
        }
        num = num(num-1) + num(num -2);
        return num;
    }

從上面簡單代碼中可以看到，當 n<=1 時返回 n , 如果n>1 則計算前一項的值f1，在計算前兩項的值f2, 再將兩者相加得到結果，這就是典型的遞歸問題，也是對應我們的ForkJoin 的工作模式，如下所示，根節點產生子任務，子任務再次衍生出子子任務，到最后在進行整合匯聚，得到結果。

java中常見的六種線程池詳解

我們通過 ForkJoinPool 來實現斐波那契數列的計算，如下展示：


/**
 * @url: i-code.online
 * @author: AnonyStar
 * @time: 2020/11/2 10:01
 */
public class ForkJoinApp3 {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        //計算第二是項的數值
        final ForkJoinTask<Integer> submit = pool.submit(new Fibonacci(20));
        // 獲取結果，這里獲取的就是異步任務的最終結果
        System.out.println(submit.get());

    }
}

class Fibonacci extends RecursiveTask<Integer>{

    int num;
    public Fibonacci(int num){
        this.num = num;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (num <= 1) return num;
        //創建子任務
        Fibonacci subTask1 = new Fibonacci(num - 1);
        Fibonacci subTask2 = new Fibonacci(num - 2);
        // 執行子任務
        subTask1.fork();
        subTask2.fork();
        //獲取前兩項的結果來計算和
        return subTask1.join()+subTask2.join();
    }
}

通過 ForkJoinPool 可以極大的發揮多核處理器的優勢，尤其非常適合用于遞歸的場景，例如樹的遍歷、最優路徑搜索等場景。
上面說的是ForkJoinPool 的使用上的，下面我們來說一下其內部的構造，對于我們前面說的幾種線程池來說，它們都是里面只有一個隊列，所有的線程共享一個。但是在ForkJoinPool 中，其內部有一個共享的任務隊列，除此之外每個線程都有一個對應的雙端隊列Deque , 當一個線程中任務被Fork 分裂了，那么分裂出來的子任務就會放入到對應的線程自己的Deque中，而不是放入公共隊列。這樣對于每個線程來說成本會降低很多，可以直接從自己線程的隊列中獲取任務而不需要去公共隊列中爭奪，有效的減少了線程間的資源競爭和切換。

java中常見的六種線程池詳解

有一種情況，當線程有多個如t1,t2,t3...，在某一段時間線程 t1 的任務特別繁重，分裂了數十個子任務，但是線程 t0 此時卻無事可做，它自己的 deque隊列為空，這時為了提高效率，t0 就會想辦法幫助t1 執行任務，這就是“work-stealing”的含義。
雙端隊列 deque中，線程t1 獲取任務的邏輯是后進先出，也就是LIFO（Last In Frist Out），而線程t0在“steal”偷線程 t1 的 deque中的任務的邏輯是先進先出，也就是FIFO（Fast In Frist Out），如圖所示，圖中很好的描述了兩個線程使用雙端隊列分別獲取任務的情景。你可以看到，使用 “work-stealing” 算法和雙端隊列很好地平衡了各線程的負載。