簡單介紹Java程式設計中的執行緒池

從 Java 5 開始，Java 提供了自己的執行緒池。線程池就是一個執行緒的容器，每次只執行額定數量的執行緒。 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor 就是這樣的執行緒池。它很靈活，但使用起來也比較複雜，本文就對其做一個介紹。

首先是建構子。以最簡單的建構子為例：

public ThreadPoolExecutor(
      int corePoolSize,
      int maximumPoolSize,
      long keepAliveTime,
      TimeUnit unit,
      BlockingQueue<Runnable> workQueue)

看起來挺複雜的。這裡介紹一下。
corePoolSize 指的是保留的執行緒池大小。
maximumPoolSize 指的是執行緒池的最大大小。
keepAliveTime 指的是空閒線程結束的超時時間。
unit 是一個枚舉，表示 keepAliveTime 的單位。
workQueue 表示存放任務的佇列。
我們可以從執行緒池的工作過程中了解這些參數的意義。執行緒池的工作過程如下：

1、執行緒池剛建立時，裡面沒有一個執行緒。任務隊列是作為參數傳進來的。不過，就算隊列裡面有任務，執行緒池也不會馬上執行它們。
 
2、當呼叫execute() 方法新增一個任務時，執行緒池會做以下判斷：
    a. 如果正在執行的執行緒數量小於corePoolSize，那麼馬上建立執行緒執行此任務；
    b. 如果正在執行的執行緒數量大於或等於corePoolSize，那麼將這個任務放入佇列。
    c. 如果此時佇列滿了，而且正在執行的執行緒數量小於maximumPoolSize，那麼還是要建立執行緒執行這個任務；
    d. 如果佇列滿了，而且正在執行的執行緒數量大於或等於maximumPoolSize，那麼執行緒池會拋出異常，告訴呼叫者「我不能再接受任務了」。
 
3、當一個執行緒完成任務時，它會從佇列中取下一個任務來執行。
 
4、當一個執行緒無事可做，超過一定的時間（keepAliveTime）時，執行緒池會判斷，如果目前執行的執行緒數大於 corePoolSize，那麼這個執行緒就被停掉。所以在線程池的所有任務完成後，它最終會收縮到 corePoolSize 的大小。
 
這樣的流程說明，並不是先加入任務就一定會先執行。假設佇列大小為 10，corePoolSize 為 3，maximumPoolSize 為 6，那麼當加入 20 個任務時，執行的順序就是這樣的：先執行任務 1、2、3，然後任務 4~13 被放入佇列。這時候隊伍滿了，任務 14、15、16 會馬上執行，而任務 17~20 則會拋出例外。最終順序是：1、2、3、14、15、16、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。以下是一個執行緒池使用的範例：

public static void main(String[] args) {
  BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<Runnable>();
  ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 6, 1, TimeUnit.DAYS, queue);
   
  for (int i = 0; i < 20; i++) {
    executor.execute(new Runnable() {
   
      public void run() {
        try {
          Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(String.format("thread %d finished", this.hashCode()));
      }
    });
  }
  executor.shutdown();
}

   

對這個範例的說明如下：
 
1、BlockingQueue 只是一個介面，而常用的實作類別有 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueuee。用 LinkedBlockingQueue 的好處是沒有大小限制。這樣的話，因為佇列不會滿，所以 execute() 不會拋出例外，而執行緒池中執行的執行緒數也永遠不會超過 corePoolSize 個，keepAliveTime 參數也就沒有意義了。
 
2、shutdown() 方法不會阻塞。在呼叫 shutdown() 方法之後，主執行緒就馬上結束了，而執行緒池會繼續運行直到所有任務執行完才會停止。如果不呼叫 shutdown() 方法，那麼執行緒池會一直保持下去，以便隨時新增新的任務。
 
到這裡對於這個執行緒池還只是介紹了一小部分。 ThreadPoolExecutor 具有很強的可擴展性，不過擴展它的前提是要熟悉它的工作方式。後面的文章將會介紹如何擴充 ThreadPoolExecutor 類別。

ava.util.concurrent.ThreadPoolExecutor 類別提供了豐富的可擴充性。你可以透過創建它的子類別來自訂它的行為。例如，我希望當每個任務結束之後打印一條訊息，但我又無法修改任務對象，那麼我可以這樣寫：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(size, maxSize, 1, TimeUnit.DAYS, queue) {
  @Override
  protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
    System.out.println("Task finished.");
  }
};

除了afterExecute 方法之外，ThreadPoolExecutor 類別還有beforeExecute() 和terminated() 方法可以重寫，分別是在任務執行前和整個執行緒池停止之後執行。

除了可以添加任务执行前后的动作之外， ThreadPoolExecutor 还允许你自定义当添加任务失败后的执行策略。你可以调用线程池的 setRejectedExecutionHandler() 方法，用自定义的 RejectedExecutionHandler 对象替换现有的策略。 ThreadPoolExecutor 提供 4 个现有的策略，分别是：
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：表示拒绝任务并抛出异常
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：表示拒绝任务但不做任何动作
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：表示拒绝任务，并在调用者的线程中直接执行该任务
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：表示先丢弃任务队列中的第一个任务，然后把这个任务加进队列。
这里是一个例子：
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(size, maxSize, 1, TimeUnit.DAYS, queue);
executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

除此之外，你也可以通过实现 RejectedExecutionHandler 接口来编写自己的策略。下面是一个例子：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 6, 1, TimeUnit.SECONDS, queue,
    new RejectedExecutionHandler() {
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        System.out.println(String.format("Task %d rejected.", r.hashCode()));
      }
    }
);

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