本章概要

• 常见的 Java 线程创建方式
  • 继承 Thread 类
  • 实现 Runnable 接口
  • 通过 ExecutorService 和 Callable 接口实现有返回值的线程
  • 基于线程池
• Java 线程池的原理
  • 线程复用
  • 线程池的核心组件和核心类
  • Java 线程池的工作流程
  • 线程池的拒绝策略

相对于传统的单线程，多线程能够在操作系统多核配置的基础上更好地利用服务器的多个 CPU 资源，使程序运行起来更加高效。Java 通过提供对多线程的支持，在一个进程内并发执行多个线程，每个线程都并行执行不同的任务，以满足编写高并发程序的需求。

2.1 常见的 Java 线程创建方式

2.1.1 继承 Thread 类

Thread 类实现了 Runnable 接口并定义了操作线程的一些方法，我们可以通过继承 Thread 类的方式创建一个线程。

具体的实现过程：创建一个类并继承 Thread 类，然后实例化线程对象并调用 start 方法启动线程。start 方法是一个 native 方法，通过在操作系统中启动一个新线程，并最终执行 run 方法来启动一个线程。

run 方法内的代码是线程类的具体实现逻辑。
具体实现代码如下：

//1.通过继承 Thread 类创建 TestThread1 线程
public class TestThread1 extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("通过继承 Thread 创建了一个线程");
    }

    public static void main(String[] args) {
        //2.实例化一个 testThread1 线程对象
        TestThread1 testThread1 = new TestThread1();
        //3.调用 start 方法启动 testThread1 线程
        testThread1.start();
    }

}

2.1.2 实现 Runnable 接口

基于 Java 编程规范，如果子类已经继承（extends）了一个类，就无法再直接继承 Thread 类，此时可以通过实现 Runnable 接口创建线程。

具体的实现过程：通过实现 Runnable 接口创建 TestThread2 线程，实例化名为 testThread2 的线程实例，创建 Thread 类的实例并传入 testThread2 的线程实例，调用线程的 start 方法启动线程。

具体实现代码如下：

public class TestThread2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("通过实现 Runnable 接口创建了一个线程");
    }

    public static void main(String[] args) {
        //2.实例化一个 TestThread2 对象
        TestThread2 testThread2 = new TestThread2();
        //3.创建一个项城对象并为其传入已经实例化好的 testThread2 线程实例
        Thread thread = new Thread(testThread2);
        //4.调用 start 方法启动线程
        thread.start();
    }
}

2.1.3 通过 ExecutorService 和 Callable 接口实现有返回值的线程

有时，我们需要在主线程中开启多个子线程并发执行一个任务，然后收集各个线程返回的结果并最终汇总起来，这时就要用到 Callable 接口，在 call 方法中实现具体的运算逻辑并返回计算结果。
具体的调用过程：创建一个线程池、一个用于接收返回结果的 Future List 及 Callable 线程实例，使用线程池提交任务并将线程执行之后的结果保存在 Future List 中，在线程执行结束后遍历 Future List 中的 Future 对象，在该对象上调用 get 方法就可以获取 Callable 线程任务返回的数据并汇总结果。
具体实现代码如下：

//1.通过实现 Callable 接口创建 TestThread3线程
public class TestThread3 implements Callable<String> {

    private String name;

    public TestThread3(String name) {
        //通过构造函数为线程传递参数，以定义线程的名称
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String call() throws Exception {
        //call 方法为线程实现逻辑
        return name;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //2.创建一个固定大小为 5 的线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        //3.创建多个有返回值的任务列表 list
        List<Future> futureList = new ArrayList<Future>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            //4.创建一个有返回值的线程实例
            Callable c = new TestThread3(i + " ");
            //5.提交线程，获取 Future 对象并保存到 Future List 中
            Future future = pool.submit(c);
            System.out.println("提交了一个 callable 线程：" + i);
            futureList.add(future);
        }
        //6.关闭线程池，等待线程执行结束
        pool.shutdown();
        //7.遍历所有线程的运算结果
        for (Future future : futureList) {
            //从 Future 对象上获取任务的返回值，并将结果输出到控制台
            System.out.println("从 callable 线程中获取返回值：" + future.get().toString());
        }
    }
}

运行结果如下：

提交了一个 callable 线程：0
提交了一个 callable 线程：1
提交了一个 callable 线程：2
提交了一个 callable 线程：3
提交了一个 callable 线程：4
从 callable 线程中获取返回值：0 
从 callable 线程中获取返回值：1 
从 callable 线程中获取返回值：2 
从 callable 线程中获取返回值：3 
从 callable 线程中获取返回值：4 

2.1.4 基于线程池

线程是非常宝贵的计算资源，在每次需要时创建并在运行结束后销毁是非常浪费系统资源的。我们可以使用缓存策略并通过线程池来创建线程，具体实现过程为创建一个线程池并用该线程池提交线程任务。
具体实现代码如下：

public static void main(String[] args) {
    //1.创建大小为 10 的线程池
    ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        //2.提交多个线程任务并执行
        pool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("正在运行名为 " + Thread.currentThread().getName() + "的线程");
            }
        });
    }
    pool.shutdown();
}

相关面试题：

• 在 Java 中创建线程有几种方式？★★★★☆
• Java 中的 Runnable 接口 和 Callable 接口有什么区别？★★★★☆
• Thread 类中的 start() 和 run() 有什么区别？★★★☆☆
• 使用线程池的优势是什么？★★☆☆☆

2.2 Java 线程池的原理

Java 线程池主要用于管理线程组及其运行状态，以便 Java 虚拟机更好地利用 CPU 资源。

Java 线程池的原理：JVM 先根据用户的参数创建一定数量可运行的线程任务，并将其放入队列中，在线程创建后启动这些任务，如果正在运行的线程数量超过了最大线程数量（用户设置的线程池大小），则超出数量的线程排队等候，在有任务执行完毕后，线程池调度器会发现可用的线程，进而再次从队列中取出任务并行制。

线程池的主要作用是线程复用、线程资源管理、控制操作系统的最大并发数，以保证系统高效（通过线程资源复用实现）且安全（通过控制最大线程并发数实现）地运行。

2.2.1 线程复用

在 Java 中，每个 Thread 类都有一个 start 方法。在程序调用 start 方法启动线程时，Java 虚拟机会调用该类的 run 方法。

在 Thread 类的 run 方法中其实调用了 Runnable 对象的 run 方法，因此可以继承 Thread 类，在 start 方法中不断循环调用传递进来的 Runnable 对象，程序就会不断执行 run 方法中的代码。

可以将在循环方法中不断获取的 Runnable 对象存放在队列中，当前线程在获取下一个 Runnable 对象之前可以是阻塞的，这样既能有效控制正在执行的线程个数，也能保证系统中正在等待执行的其它线程有序执行。这样就简单实现了一个线程池，达到了线程复用的效果。

2.2.2 线程池的核心组件和核心类

Java 线程池主要由如下 4 个核心组件组成

• 线程池管理器：用于创建并管理线程池
• 工作线程：线程池中执行具体任务的线程
• 任务接口：用于定义工作线程的调度和执行策略，只有线程实现了该接口，线程中的任务才能被线程池调度
• 任务队列：存放待处理的任务，新的任务将不断被加入队列中，执行完成的任务将被从队列中移除

Java 中的线程池是通过 Executor 框架实现的，在该框架中用到了 Executor、Executors、ExecutorService、ThreadPoolExecutor、Callable、Future、FutureTask 这几个核心类。

其中，ThreadPoolExecutor 是构建线程的核心方法，该方法的定义如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

ThreadPoolExecutor 构造函数的具体参数如下：

2.2.3 Java 线程池的工作流程

Java 线程池的工作流程：线程池刚被创建时，只是向系统申请一个用于执行线程队列和管理线程池的线程资源。在调用 execute() 添加一个任务时，线程池会按照如下流程执行任务：

• 如果正在运行的线程数少于 corePoolSize（用户定义的核心线程数），线程池就会立刻创建线程并执行该线程任务
• 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，该任务就会被放入阻塞队列中
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量少于 maximumPoolSize 时，线程池会创建非核心线程立刻执行该线程任务
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize 时，线程池将拒绝执行该线程任务并抛出 RejectExecutionException 异常
• 在线程任务执行完毕后，该任务将被从线程池队列中移除，线程池将从队列中取下一个线程任务继续执行
• 在线程处于空闲状态的时间超过 keepAliveTime 时，正在运行的线程数量超过 corePoolSize ，该线程将被认定为空闲线程并停止。因此在线程池中的所有线程任务都执行完毕后，线程池会收缩到 corePoolSize 大小

2.2.4 线程池的拒绝策略

如果线程池中的核心线程被用完且阻塞队列已满，则此时线程池的线程资源已耗尽，线程池将没有足够的线程资源执行新的任务。为了保证操作系统的安全，线程池将通过拒绝策略处理新添加的线程任务。JDK 内置的拒绝策略有 AbortPolicy 、CallerRunsPolicy、DiscardOldestPolicy、DiscardPolicy 这四种，默认的拒绝策略在 ThreadPoolExecutor 中作为内部类提供。在默认的拒绝策略不能满足应用的需求时，可以自定义拒绝策略。

1. AbortPolicy

AbortPolicy 直接抛出异常，阻止线程正常运行，具体的 JDK 实现源码如下：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    /**
     * Creates an {@code AbortPolicy}.
     */
    public AbortPolicy() { }

    /**
     * Always throws RejectedExecutionException.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     * @throws RejectedExecutionException always
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                             " rejected from " +
                                             e.toString());
    }
}

2. CallerRunsPolicy

CallerRunsPolicy 的拒绝策略：如果被丢弃的线程任务未关闭，则执行该线程任务。注意，CallerRunsPolicy 的拒绝策略不会真的丢弃任务。具体的 JDK 实现源码如下：

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    /**
     * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
     */
    public CallerRunsPolicy() { }

    /**
     * Executes task r in the caller's thread, unless the executor
     * has been shut down, in which case the task is discarded.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        if (!e.isShutdown()) {
            r.run();
        }
    }
}

3. DiscardOldestPolicy

DiscardOldestPolicy 的拒绝策略：移除线程队列中最早的一个线程任务，并尝试提交当前任务。具体 JDK 的实现源码如下：

4. DiscardPolicy

DiscardPolicy 的拒绝策略：丢弃当前的线程任务而不做任何处理。如果系统允许在资源不足的情况下丢弃部分供任务，则这将是保障系统安全、稳定的一种很好的方案。具体的 JDK 实现源码如下：

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    /**
     * Creates a {@code DiscardPolicy}.
     */
    public DiscardPolicy() { }

    /**
     * Does nothing, which has the effect of discarding task r.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param e the executor attempting to execute this task
     */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    }
}

5. 自定义拒绝策略

以上 4 中 拒绝策略均实现了 RejectedExecutionHandler 接口，如果无法满足实际需要，则用户可以自己扩展 RejectedExecutionHandler 接口来实现拒绝策略，并捕获异常来实现自定义拒绝策略。

下面实现一个自定义拒绝策略 DiscardOldestPolicy，该策略根据传入的参数丢弃最早的 N 个线程，以便在出现异常时释放更多的资源，保障后续的线程任务整体、稳定地运行。具体的实现源码如下：

public class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    private int discardNumber = 5;
    private List<Runnable> discardList = new ArrayList<>();

    public DiscardOldestPolicy(int discardNumber) {
        this.discardNumber = discardNumber;
    }

    @Override
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        if (executor.getQueue().size() > discardNumber) {
            //1.批量移除线程队列中的 discardNumber 个线程任务
            executor.getQueue().drainTo(discardList, discardNumber);
            //2.清空 discardList 列表
            discardList.clear();
            if (!executor.isShutdown()) {
                //3.尝试提交当前任务
                executor.execute(r);
            }
        }
    }
}

相关面试题：

• 什么是线程池？线程池是如何工作的？★★★★★
• 线程和进程有什么区别？★★★★☆
• ThreadPoolExecutor 的核心参数有哪些？★★★☆☆
• 请描述线程池的工作流程。★★★☆☆
• 线程池的拒绝策略有哪些？★★☆☆☆