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Java併發程式設計:4種執行緒池和緩衝佇列BlockingQueue

一. 執行緒池簡介

1. 執行緒池的概念:

          執行緒池就是首先建立一些執行緒,它們的集合稱為執行緒池。使用執行緒池可以很好地提高效能,執行緒池在系統啟動時即建立大量空閒的執行緒,程式將一個任務傳給執行緒池,執行緒池就會啟動一條執行緒來執行這個任務,執行結束以後,該執行緒並不會死亡,而是再次返回執行緒池中成為空閒狀態,等待執行下一個任務。

2. 執行緒池的工作機制

         2.1 線上程池的程式設計模式下,任務是提交給整個執行緒池,而不是直接提交給某個執行緒,執行緒池在拿到任務後,就在內部尋找是否有空閒的執行緒,如果有,則將任務交給某個空閒的執行緒。

         2.1 一個執行緒同時只能執行一個任務,但可以同時向一個執行緒池提交多個任務。

3. 使用執行緒池的原因:

        多執行緒執行時間,系統不斷的啟動和關閉新執行緒,成本非常高,會過渡消耗系統資源,以及過渡切換執行緒的危險,從而可能導致系統資源的崩潰。這時,執行緒池就是最好的選擇了。

二. 四種常見的執行緒池詳解

1. 執行緒池的返回值ExecutorService簡介:

         ExecutorService是Java提供的用於管理執行緒池的類。該類的兩個作用:控制執行緒數量和重用執行緒

2. 具體的4種常用的執行緒池實現如下:(返回值都是ExecutorService)

         2.1 Executors.newCacheThreadPool():可快取執行緒池,先檢視池中有沒有以前建立的執行緒,如果有,就直接使用。如果沒有,就建一個新的執行緒加入池中,快取型池子通常用於執行一些生存期很短的非同步型任務

         示例程式碼:

package com.study.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExecutorTest {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個可快取執行緒池
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                //sleep可明顯看到使用的是執行緒池裡面以前的執行緒,沒有建立新的執行緒
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    //列印正在執行的快取執行緒資訊
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被執行");
                }
            });
        }
    }
}

輸出結果:

pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行

執行緒池為無限大,當執行當前任務時上一個任務已經完成,會複用執行上一個任務的執行緒,而不用每次新建執行緒

       2.2  Executors.newFixedThreadPool(int n):建立一個可重用固定個數的執行緒池,以共享的無界佇列方式來執行這些執行緒。

         示例程式碼:

package com.study.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExecutorTest {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個可重用固定個數的執行緒池
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        //列印正在執行的快取執行緒資訊
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被執行");
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
}

輸出結果:

pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-2正在被執行
pool-1-thread-3正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-2正在被執行
pool-1-thread-3正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-2正在被執行
pool-1-thread-3正在被執行
pool-1-thread-1正在被執行

因為執行緒池大小為3,每個任務輸出列印結果後sleep 2秒,所以每兩秒列印3個結果。
定長執行緒池的大小最好根據系統資源進行設定。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()

       2.3  Executors.newScheduledThreadPool(int n):建立一個定長執行緒池,支援定時及週期性任務執行

             延遲執行示例程式碼:

package com.study.test;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolExecutorTest {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個定長執行緒池,支援定時及週期性任務執行——延遲執行
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        //延遲1秒執行
        scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("延遲1秒執行");
            }
        }, 1, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

輸出結果:延遲1秒執行

             定期執行示例程式碼:

package com.study.test;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolExecutorTest {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個定長執行緒池,支援定時及週期性任務執行——定期執行
        ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
        //延遲1秒後每3秒執行一次
        scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("延遲1秒後每3秒執行一次");
            }
        }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

輸出結果:

延遲1秒後每3秒執行一次
延遲1秒後每3秒執行一次
.............

        2.4  Executors.newSingleThreadExecutor():建立一個單執行緒化的執行緒池,它只會用唯一的工作執行緒來執行任務,保證所有任務按照指定順序(FIFO, LIFO, 優先順序)執行。

               示例程式碼: 

package com.study.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestThreadPoolExecutor {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個單執行緒化的執行緒池
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        //結果依次輸出,相當於順序執行各個任務
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在被執行,列印的值是:"+index);
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
}

輸出結果:

pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:0
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:1
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:2
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:3
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:4
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:5
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:6
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:7
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:8
pool-1-thread-1正在被執行,列印的值是:9

三. 緩衝佇列BlockingQueue和自定義執行緒池ThreadPoolExecutor

1. 緩衝佇列BlockingQueue簡介:

          BlockingQueue是雙緩衝佇列。BlockingQueue內部使用兩條佇列,允許兩個執行緒同時向佇列一個儲存,一個取出操作。在保證併發安全的同時,提高了佇列的存取效率。

2. 常用的幾種BlockingQueue:

  • ArrayBlockingQueue(int i):規定大小的BlockingQueue,其構造必須指定大小。其所含的物件是FIFO順序排序的。

  • LinkedBlockingQueue()或者(int i):大小不固定的BlockingQueue,若其構造時指定大小,生成的BlockingQueue有大小限制,不指定大小,其大小有Integer.MAX_VALUE來決定。其所含的物件是FIFO順序排序的。

  • PriorityBlockingQueue()或者(int i):類似於LinkedBlockingQueue,但是其所含物件的排序不是FIFO,而是依據物件的自然順序或者建構函式的Comparator決定。

  • SynchronizedQueue():特殊的BlockingQueue,對其的操作必須是放和取交替完成。

3. 自定義執行緒池(ThreadPoolExecutor和BlockingQueue連用):

     自定義執行緒池,可以用ThreadPoolExecutor類建立,它有多個構造方法來建立執行緒池。

    常見的建構函式:ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)

     示例程式碼:

package com.study.test;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class TempThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        // 列印正在執行的快取執行緒資訊
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在被執行");
        try {
            // sleep一秒保證3個任務在分別在3個執行緒上執行
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

public class TestThreadPoolExecutor {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立陣列型緩衝等待佇列
        BlockingQueue<Runnable> bq = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10);
        // ThreadPoolExecutor:建立自定義執行緒池,池中儲存的執行緒數為3,允許最大的執行緒數為6
        ThreadPoolExecutor tpe = new ThreadPoolExecutor(3, 6, 50, TimeUnit.MILLISECONDS, bq);

        // 建立3個任務
        Runnable t1 = new TempThread();
        Runnable t2 = new TempThread();
        Runnable t3 = new TempThread();
        // Runnable t4 = new TempThread();
        // Runnable t5 = new TempThread();
        // Runnable t6 = new TempThread();

        // 3個任務在分別在3個執行緒上執行
        tpe.execute(t1);
        tpe.execute(t2);
        tpe.execute(t3);
        // tpe.execute(t4);
        // tpe.execute(t5);
        // tpe.execute(t6);

        // 關閉自定義執行緒池
        tpe.shutdown();
    }
}

輸出結果:

pool-1-thread-1正在被執行
pool-1-thread-2正在被執行
pool-1-thread-3正在被執行