第21讲 _ Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？
第21讲 _ Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？
我在专栏第17讲中介绍过线程是不能够重复启动的，创建或销毁线程存在一定的开销，所以利用线程池技术来提高系统资源利用效率，并简化线程管理，已经是非常成熟的选择。
今天我要问你的问题是，Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？
典型回答
通常开发者都是利用Executors提供的通用线程池创建方法，去创建不同配置的线程池，主要区别在于不同的ExecutorService类型或者不同的初始参数。
Executors目前提供了5种不同的线程池创建配置：
考点分析
Java并发包中的Executor框架无疑是并发编程中的重点，今天的题目考察的是对几种标准线程池的了解，我提供的是一个针对最常见的应用方式的回答。
在大多数应用场景下，使用Executors提供的5个静态工厂方法就足够了，但是仍然可能需要直接利用ThreadPoolExecutor等构造函数创建，这就要求你对线程构造方式有进一步的了解，你需要明白线程池的设计和结构。
另外，线程池这个定义就是个容易让人误解的术语，因为ExecutorService除了通常意义上“池”的功能，还提供了更全面的线程管理、任务提交等方法。
Executor框架可不仅仅是线程池，我觉得至少下面几点值得深入学习：
知识扩展
首先，我们来看看Executor框架的基本组成，请参考下面的类图。
我们从整体上把握一下各个类型的主要设计目的：
- Executor是一个基础的接口，其初衷是将任务提交和任务执行细节解耦，这一点可以体会其定义的唯一方法。
void execute(Runnable command);Executor的设计是源于Java早期线程API使用的教训，开发者在实现应用逻辑时，被太多线程创建、调度等不相关细节所打扰。就像我们进行HTTP通信，如果还需要自己操作TCP握手，开发效率低下，质量也难以保证。
- ExecutorService则更加完善，不仅提供service的管理功能，比如shutdown等方法，也提供了更加全面的提交任务机制，如返回Future而不是void的submit方法。
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);注意，这个例子输入的可是Callable，它解决了Runnable无法返回结果的困扰。
下面我就从源码角度，分析线程池的设计与实现，我将主要围绕最基础的ThreadPoolExecutor源码。ScheduledThreadPoolExecutor是ThreadPoolExecutor的扩展，主要是增加了调度逻辑，如想深入了解，你可以参考相关教程。而ForkJoinPool则是为ForkJoinTask定制的线程池，与通常意义的线程池有所不同。
这部分内容比较晦涩，罗列概念也不利于你去理解，所以我会配合一些示意图来说明。在现实应用中，理解应用与线程池的交互和线程池的内部工作过程，你可以参考下图。
简单理解一下：
- 工作队列负责存储用户提交的各个任务，这个工作队列，可以是容量为0的SynchronousQueue（使用newCachedThreadPool），也可以是像固定大小线程池（newFixedThreadPool）那样使用LinkedBlockingQueue。
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;- 内部的“线程池”，这是指保持工作线程的集合，线程池需要在运行过程中管理线程创建、销毁。例如，对于带缓存的线程池，当任务压力较大时，线程池会创建新的工作线程；当业务压力退去，线程池会在闲置一段时间（默认60秒）后结束线程。
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();线程池的工作线程被抽象为静态内部类Worker，基于AQS实现。
从上面的分析，就可以看出线程池的几个基本组成部分，一起都体现在线程池的构造函数中，从字面我们就可以大概猜测到其用意：
通过配置不同的参数，我们就可以创建出行为大相径庭的线程池，这就是线程池高度灵活性的基础。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)进一步分析，线程池既然有生命周期，它的状态是如何表征的呢？
这里有一个非常有意思的设计，ctl变量被赋予了双重角色，通过高低位的不同，既表示线程池状态，又表示工作线程数目，这是一个典型的高效优化。试想，实际系统中，虽然我们可以指定线程极限为Integer.MAX_VALUE，但是因为资源限制，这只是个理论值，所以完全可以将空闲位赋予其他意义。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 真正决定了工作线程数的理论上限
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int COUNT_MASK = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 线程池状态，存储在数字的高位
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
…
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~COUNT_MASK; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & COUNT_MASK; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }为了让你能对线程生命周期有个更加清晰的印象，我这里画了一个简单的状态流转图，对线程池的可能状态和其内部方法之间进行了对应，如果有不理解的方法，请参考Javadoc。注意，实际Java代码中并不存在所谓Idle状态，我添加它仅仅是便于理解。
前面都是对线程池属性和构建等方面的分析，下面我选择典型的execute方法，来看看其是如何工作的，具体逻辑请参考我添加的注释，配合代码更加容易理解。
public void execute(Runnable command) {
…
int c = ctl.get();
// 检查工作线程数目，低于corePoolSize则添加Worker
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// isRunning就是检查线程池是否被shutdown
// 工作队列可能是有界的，offer是比较友好的入队方式
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次进行防御性检查
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 尝试添加一个worker，如果失败意味着已经饱和或者被shutdown了
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}线程池实践
线程池虽然为提供了非常强大、方便的功能，但是也不是银弹，使用不当同样会导致问题。我这里介绍些典型情况，经过前面的分析，很多方面可以自然的推导出来。
线程池大小的选择策略
上面我已经介绍过，线程池大小不合适，太多或太少，都会导致麻烦，所以我们需要去考虑一个合适的线程池大小。虽然不能完全确定，但是有一些相对普适的规则和思路。
线程数 = CPU核数 × 目标CPU利用率 ×（1 + 平均等待时间/平均工作时间）这些时间并不能精准预计，需要根据采样或者概要分析等方式进行计算，然后在实际中验证和调整。
- 上面是仅仅考虑了CPU等限制，实际还可能受各种系统资源限制影响，例如我最近就在Mac OS X上遇到了大负载时ephemeral端口受限的情况。当然，我是通过扩大可用端口范围解决的，如果我们不能调整资源的容量，那么就只能限制工作线程的数目了。这里的资源可以是文件句柄、内存等。
另外，在实际工作中，不要把解决问题的思路全部指望到调整线程池上，很多时候架构上的改变更能解决问题，比如利用背压机制的Reactive Stream、合理的拆分等。
今天，我从Java创建的几种线程池开始，对Executor框架的主要组成、线程池结构与生命周期等方面进行了讲解和分析，希望对你有所帮助。
一课一练
关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？今天的思考题是从逻辑上理解，线程池创建和生命周期。请谈一谈，如果利用newSingleThreadExecutor()创建一个线程池，corePoolSize、maxPoolSize等都是什么数值？ThreadFactory可能在线程池生命周期中被使用多少次？怎么验证自己的判断？
请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习奖励礼券，欢迎你与我一起讨论。
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