Java面试突击：为什么需要线程池？什么是池化技术？

作者 | 磊哥

来源 | Java面试真题解析(ID：aimianshi666)

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在 Java 语言中，提高程序的执行效率有两种实现方法，一个是使用线程、另一个是使用线程池。而在生产环境下，我们通常会采用后者。为什么会这样呢?今天我们就来聊聊线程池的优点，以及池化技术及其应用。

池化技术

池化技术指的是提前准备一些资源，在需要时可以重复使用这些预先准备的资源。池化技术的优点主要有两个：提前准备和重复利用。以 Java 语言中的对象创建为例，在对象创建时要经历以下步骤：

1. 根据 new 标识符后面的参数，在常量池查找类的符号引用;
2. 如果没找到符号应用(类并未加载)，进行类的加载、解析、初始化等;
3. 虚拟机为对象在堆中分配内存，并将分配的内存初始化为 0，针对对象头，建立相应的描述结构(耗时操作：需要查找堆中的空闲区域，修改内存分配状态等);
4. 调用对象的初始化方法(耗时操作：用户的复杂的逻辑验证等操作，如IO、数值计算是否符合规定等)。

从上述的流程中可以看出，创建一个类需要经历复杂且耗时的操作，因此我们应该尽量复用已有的类，以确保程序的高效运行，当然如果能够提前创建这些类就再好不过了，而这些功能的实现依靠的就是池化技术。

池化技术应用

常见的池化技术的应用有：线程池、内存池、数据库连接池、HttpClient 连接池等，接下来，我们分别来看。

线程池

线程池的原理很简单，类似于操作系统中的缓冲区的概念。线程池中会先启动若干数量的线程，这些线程都处于睡眠状态。当客户端有一个新的请求时，就会唤醒线程池中的某一个睡眠的线程，让它来处理客户端的这个请求，当处理完这个请求之后，线程又处于睡眠的状态。线程池能很高地提升程序的性能。比如有一个省级数据大集中的银行网络中心，高峰期每秒的客户端请求并发数超过 100，如果为每个客户端请求创建一个新的线程的话，那耗费的 CPU 时间和内存都是十分惊人的，如果采用一个拥有 200 个线程的线程池，那将会节约大量的系统资源，使得更多的 CPU 时间和内存用来处理实际的商业应用，而不是频繁的线程创建和销毁。

内存池

如何更好地管理应用程序内存的使用，同时提高内存使用的频率，这时值得每一个开发人员深思的问题。内存池(Memory Pool)就提供了一个比较可行的解决方案。内存池在创建的过程中，会预先分配足够大的内存，形成一个初步的内存池。然后每次用户请求内存的时候，就会返回内存池中的一块空闲的内存，并将这块内存的标志置为已使用。当内存使用完毕释放内存的时候，也不是真正地调用 free 或 delete 的过程，而是把内存放回内存池的过程，且放回的过程要把标志置为空闲。最后，应用程序结束就会将内存池销毁，将内存池中的每一块内存释放。内存池的优点：

• 减少内存碎片的产生，这个优点可以从创建内存池的过程中看出，当我们在创建内存池的时候，分配的都是一块块比较规整的内存块，减少内存碎片的产生。
• 提高了内存的使用频率。这个可以从分配内存和释放内存的过程中看出。每次的分配和释放并不是去调用系统提供的函数或操作符去操作实际的内存，而是在复用内存池中的内存。

内存池的缺点：会造成内存的浪费，因为要使用内存池需要在一开始分配一大块闲置的内存，而这些内存不一定全部被用到。

数据库连接池

数据库连接池的基本思想是在系统初始化的时候将数据库连接作为对象存储在内存中，当用户需要访问数据库的时候，并非建立一个新的连接，而是从连接池中取出一个已建立的空闲连接对象。在使用完毕后，用户也不是将连接关闭，而是将连接放回到连接池中，以供下一个请求访问使用，而这些连接的建立、断开都是由连接池自身来管理的。同时，还可以设置连接池的参数来控制连接池中的初始连接数、连接的上下限数和每个连接的最大使用次数、最大空闲时间等。当然，也可以通过连接池自身的管理机制来监视连接的数量、使用情况等。

HttpClient连接池

HttpClient 我们经常用来进行 HTTP 服务访问。我们的项目中会有一个获取任务执行状态的功能使用 HttpClient，一秒钟请求一次，经常会出现 Conection Reset 异常。经过分析发现，问题是出在 HttpClient 的每次请求都会新建一个连接，当创建连接的频率比关闭连接的频率大的时候，就会导致系统中产生大量处于 TIME_CLOSED 状态的连接，这个时候使用连接池复用连接就能解决这个问题。

线程池介绍

线程池是线程使用的一种模式，它将线程和任务的概念分离开，使用线程来执行任务，并提供统一的线程管理和任务管理的实现方法，避免了频繁创建和销毁线程所带来的性能开销。

线程池优点分析

线程池相比于线程来说，它不需要频繁的创建和销毁线程，线程一旦创建之后，默认情况下就会一直保持在线程池中，等到有任务来了，再用这些已有的线程来执行任务，如下图所示：

优点1：复用线程，降低资源消耗

线程在创建时要开辟虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等私有线程的内存空间，而销毁时又要回收这些私有空间资源，如下图所示： 而线程池创建了线程之后就会放在线程池中，因此线程池相比于线程来说，第一个优点就是可以复用线程、减低系统资源的消耗。

优点2：提高响应速度

线程池是复用已有线程来执行任务的，而线程是在有任务时才新建的，所以相比于线程来说，线程池能够更快的响应任务和执行任务。

优点3：管控线程数和任务数

线程池提供了更多的管理功能，这里管理功能主要体现在以下两个方面：

1. 控制最大并发数：线程池可以创建固定的线程数，从而避免了无限创建线程的问题。当线程创建过多时，会导致系统执行变慢，因为 CPU 核数是一定的、能同时处理的任务数也是一定的，而线程过多时就会造成线程恶意争抢和线程频繁切换的问题，从而导致程序执行变慢，所以合适的线程数才是高性能运行的关键。
2. 控制任务最大数：如果任务无限多，而内存又不足的情况下，就会导致程序执行报错，而线程池可以控制最大任务数，当任务超过一定数量之后，就会采用拒绝策略来处理多出的任务，从而保证了系统可以健康的运行。

优点4：更多增强功能

线程池相比于线程来说提供了更多的功能，比如定时执行和周期执行等功能。

总结

池化技术指的是提前准备一些资源，在需要时可以重复使用这些预先准备的资源。池化技术的优点主要有两个：提前准备和重复利用。线程池是池化技术的典型场景，线程池的优点主要有 4 点：

1. 复用线程，降低了资源消耗;
2. 提高响应速度;
3. 提供了管理线程数和任务数的能力;
4. 更多增强功能。

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