Java線程池的創建和使用

在Java並發編程中，線程池是一種常用的資源管理方式。通過線程池，我們可以更好地管理線程、提高系統的並發性並避免線程創建、銷毀的頻繁開銷，從而使系統更加穩定和可靠。Java線程池提供了一組API，可以方便地創建和管理線程池，本文將從多個方面對Java線程池的創建與使用做一個詳細的闡述。

一、線程池的創建

Java線程池提供了幾個構造函數和靜態方法來創建線程池，主要有以下幾種：

1. 自定義線程池

可以通過ThreadPoolExecutor構造函數自定義線程池。ThreadPoolExecutor具有更高的靈活性，可以指定核心池大小、最大池大小、線程存活時間、阻塞隊列及拒絕策略等參數。代碼示例如下：

public class CustomThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        int corePoolSize = 10; // 核心池大小
        int maxPoolSize = 20; // 最大池大小
        long keepAliveTime = 5000; // 線程存活時間
        TimeUnit unit = TimeUnit.MILLISECONDS; // 時間單位
        BlockingQueue workQueue = new LinkedBlockingQueue(); // 阻塞隊列
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maxPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPool.execute(new Task());
        }

        threadPool.shutdown();
    }

    public static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // do something
        }
    }
}

2. 單一線程池

可以通過Executors工廠類中的newSingleThreadExecutor方法創建單一線程池，單一線程池中只有一個線程在執行任務。代碼示例如下：

public class SingleThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPool.execute(new Task());
        }

        threadPool.shutdown();
    }

    public static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // do something
        }
    }
}

3. 固定大小線程池

可以通過Executors工廠類中的newFixedThreadPool方法創建固定大小線程池，固定大小線程池中有固定數量的線程在執行任務。代碼示例如下：

public class FixedThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        int nThreads = 10; // 線程池中線程數量
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(nThreads);

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPool.execute(new Task());
        }

        threadPool.shutdown();
    }

    public static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // do something
        }
    }
}

4. 緩存線程池

可以通過Executors工廠類中的newCachedThreadPool方法創建緩存線程池，緩存線程池中的線程數量會根據任務的數量自動調整。代碼示例如下：

public class CachedThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadPool.execute(new Task());
        }

        threadPool.shutdown();
    }

    public static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // do something
        }
    }
}

二、線程池的使用

1. 提交任務

可以通過execute()或submit()方法提交任務，execute()會返回void，而submit()會返回一個Future對象：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
threadPool.execute(new Task());
Future<Object> future = threadPool.submit(new Task());

2. 關閉線程池

當不再需要線程池時，可以通過shutdown()或shutdownNow()方法關閉線程池。shutdown()方法會等待線程池中所有任務執行完畢後再關閉線程池，而shutdownNow()方法則會立即關閉線程池：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
threadPool.execute(new Task());
threadPool.shutdown(); // 等待任務執行完畢後關閉線程池
// threadPool.shutdownNow(); // 立即關閉線程池

3. 拒絕策略

當線程池無法處理更多任務時，可以通過設置拒絕策略來決定如何處理這些任務。Java線程池提供了四種拒絕策略：

• AbortPolicy：直接拋出異常（默認）。
• CallerRunsPolicy：用調用者所在的線程來執行任務。
• DiscardOldestPolicy：丟棄隊列里最舊的任務，並執行當前任務。
• DiscardPolicy：直接丟棄任務。

示例代碼如下：

int corePoolSize = 10; // 核心池大小
int maxPoolSize = 20; // 最大池大小
long keepAliveTime = 5000; // 線程存活時間
TimeUnit unit = TimeUnit.MILLISECONDS; // 時間單位
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(); // 阻塞隊列
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maxPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

4. 線程池監控

線程池監控可以幫助我們了解線程池的運行情況，包括線程池狀態、線程活動數、任務隊列大小等。Java線程池提供了以下幾個方法來獲取線程池的狀態：

• getActiveCount()：獲取線程池中活動線程的數量。
• getCompletedTaskCount()：獲取線程池中已完成的任務數量。
• getQueue()：獲取線程池中阻塞隊列。
• getTaskCount()：獲取線程池中已提交的任務數量。
• isShutdown()：線程池是否已關閉。
• isTerminated()：線程池是否已終止。

示例代碼如下：

ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(...);
while (!threadPool.isTerminated()) {
    System.out.println("Active threads: " + threadPool.getActiveCount());
    System.out.println("Completed tasks: " + threadPool.getCompletedTaskCount());
    System.out.println("Queue size: " + threadPool.getQueue().size());
    System.out.println("Task count: " + threadPool.getTaskCount());
}

三、使用場景

線程池廣泛應用於多線程編程的各種場景，如Web服務器、數據庫連接池、定時任務調度等。以下幾種情況建議使用線程池：

• 需要同時處理多個任務。
• 需要處理的任務較小，多線程處理會提高效率。
• 需要避免線程創建、銷毀的頻繁開銷。
• 需要避免線程數量過多導致系統資源耗盡。
• 需要更好地控制系統並發性。

四、總結

本文詳細介紹了Java線程池的創建與使用，包括自定義線程池、單一線程池、固定大小線程池、緩存線程池等創建方法，以及提交任務、關閉線程池、拒絕策略、線程池監控和使用場景等方面。線程池是Java並發編程中的重要資源管理方式，能夠提高系統的並發性，避免線程創建、銷毀的頻繁開銷，從而使系統更加穩定和可靠。