ThreadPoolExecutor 的详细解析

以下是 ThreadPoolExecutor 的详细解析，涵盖核心参数、工作原理、使用场景及最佳实践：

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一、ThreadPoolExecutor 核心概念

ThreadPoolExecutor 是 Java 并发包中线程池的核心实现类，通过灵活的配置参数管理线程生命周期和任务执行策略。它的设计目标是平衡资源消耗与任务处理效率，避免频繁创建/销毁线程的开销。

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二、构造函数与核心参数

ThreadPoolExecutor 通过构造函数定义线程池行为，以下是关键参数：

public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize,          // 核心线程数（长期保留的线程）
    int maximumPoolSize,       // 最大线程数（临时线程数 = maximumPoolSize - corePoolSize）
    long keepAliveTime,        // 临时线程空闲存活时间
    TimeUnit unit,             // 存活时间单位
    BlockingQueue<Runnable> workQueue,  // 任务队列
    RejectedExecutionHandler handler    // 拒绝策略
)

参数详解

参数	说明
corePoolSize	核心线程数，即使空闲也不会被回收（除非设置 allowCoreThreadTimeOut）。
maximumPoolSize	线程池允许的最大线程数（核心线程 + 临时线程）。
keepAliveTime	临时线程空闲时的存活时间，超时后会被回收。
workQueue	任务队列，用于缓存待执行任务（见下文队列类型）。
handler	当线程池和队列均满时，新任务的拒绝策略（如抛出异常、直接丢弃等）。

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三、线程池工作流程

是
否
是
否
是
否
是
否
是
否
提交新任务
当前线程数 < corePoolSize?
创建新核心线程执行任务
任务队列未满?
任务进入队列等待
当前线程数 < maximumPoolSize?
创建临时线程执行任务
触发拒绝策略
队列中有待执行任务?
空闲线程从队列获取任务执行
线程保持空闲直至超时
空闲时间超过 keepAliveTime?
回收临时线程

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流程说明

0. 任务提交：

   • 新任务到达时，首先判断当前线程数是否小于 corePoolSize。若满足，直接创建核心线程执行任务。
   • 若不满足，尝试将任务加入任务队列。

1. 队列处理：

   • 若队列未满，任务进入队列等待空闲线程处理。
   • 若队列已满，判断当前线程数是否小于 maximumPoolSize。若满足，创建临时线程执行任务；否则触发拒绝策略。

2. 队列消费：

   • 队列中的任务会被空闲线程（核心线程或临时线程）按顺序取出并执行。

3. 临时线程回收：

   • 临时线程在空闲时间超过 keepAliveTime 后会被回收，核心线程默认长期存活（除非设置 allowCoreThreadTimeOut=true）。

4. 拒绝策略：

   • 当队列和线程池均满时，根据配置的 RejectedExecutionHandler 处理新任务（如抛异常、直接丢弃等）。

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四、任务队列（BlockingQueue）类型

任务队列的类型直接影响线程池行为：

队列类型	特点	适用场景
LinkedBlockingQueue	无界队列（默认容量 Integer.MAX_VALUE），可能导致内存溢出。	任务量可控的短期异步任务。
ArrayBlockingQueue	有界队列，需指定固定容量，队列满时触发临时线程创建。	高吞吐量且需控制内存的场景。
SynchronousQueue	不存储任务，直接将任务传递给空闲线程。若无可用线程，立即触发临时线程创建或拒绝策略。	高并发且任务处理快速的场景。
PriorityBlockingQueue	支持任务优先级排序的无界队列。	需按优先级处理任务的场景。

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五、拒绝策略（RejectedExecutionHandler）

当线程池和队列均满时，新任务会触发拒绝策略。Java 提供四种默认策略：

策略	行为
AbortPolicy	默认策略，直接抛出 RejectedExecutionException。
CallerRunsPolicy	由提交任务的线程直接执行该任务（避免任务丢失，但可能阻塞主线程）。
DiscardPolicy	静默丢弃新任务，不抛异常。
DiscardOldestPolicy	丢弃队列中最旧的任务（队列头部），然后重试提交新任务。

自定义拒绝策略

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    // ...其他参数...
    (Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) -> {
        // 自定义逻辑：如记录日志、重试或降级处理
        log.warn("Task rejected: {}", r);
    }
);

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六、使用示例

1. 创建线程池

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    4,                              // corePoolSize
    8,                              // maximumPoolSize
    60, TimeUnit.SECONDS,           // keepAliveTime
    new ArrayBlockingQueue<>(100),   // 有界队列，容量100
    new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 拒绝策略
);

2. 提交任务

// 提交 Runnable 任务
executor.execute(() -> System.out.println("Running task..."));
​
// 提交 Callable 任务并获取 Future
Future<String> future = executor.submit(() -> {
    Thread.sleep(1000);
    return "Task Result";
});
​
// 阻塞获取结果
String result = future.get();

3. 关闭线程池

executor.shutdown();       // 平缓关闭，等待已提交任务完成
// 或
executor.shutdownNow();    // 立即终止，返回未执行的任务列表

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七、最佳实践

1. 合理配置线程数

• CPU 密集型任务：线程数 ≈ CPU 核心数（如 Runtime.getRuntime().availableProcessors()）。
• I/O 密集型任务：线程数可适当增加（如 CPU 核心数 × 2）。

2. 避免使用无界队列

• 使用 LinkedBlockingQueue 时需设置合理容量，防止任务堆积导致内存溢出。

3. 处理未捕获异常

• 通过重写 afterExecute() 捕获任务异常：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(...) {
    @Override
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        if (t != null) {
            // 处理异常
            log.error("Task failed", t);
        }
    }
};

4. 监控线程池状态

// 获取当前活跃线程数
int activeCount = executor.getActiveCount();
​
// 获取队列中的任务数
int queueSize = executor.getQueue().size();
​
// 获取已完成任务数
long completedTaskCount = executor.getCompletedTaskCount();

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八、常见问题与解决方案

问题	原因	解决方案
任务堆积导致内存溢出	使用无界队列或拒绝策略不当。	改用有界队列，并设置合理的拒绝策略（如 CallerRunsPolicy）。
线程池饥饿	所有线程等待其他任务结果，导致死锁。	确保任务间无依赖，或使用更大的线程池。
临时线程未被回收	keepAliveTime 设置过小或未生效。	检查是否设置 allowCoreThreadTimeOut(true)（允许核心线程超时回收）。

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九、总结

ThreadPoolExecutor 是 Java 并发编程的核心工具，通过合理配置以下参数优化性能：

0. 线程数：corePoolSize 与 maximumPoolSize 的平衡。
1. 任务队列：根据场景选择有界或无界队列。
2. 拒绝策略：避免任务丢失或系统崩溃。

理解其内部机制（如任务调度流程、队列与线程的交互），结合监控和异常处理，可以构建高效、稳定的并发系统。