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

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