作者 | 磊哥

來源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)

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在 Java 語言中，提高程序的執(zhí)行效率有兩種實現(xiàn)方法，一個是使用線程、另一個是使用線程池。而在生產(chǎn)環(huán)境下，我們通常會采用后者。為什么會這樣呢?今天我們就來聊聊線程池的優(yōu)點，以及池化技術及其應用。

池化技術

池化技術指的是提前準備一些資源，在需要時可以重復使用這些預先準備的資源。池化技術的優(yōu)點主要有兩個：提前準備和重復利用。以 Java 語言中的對象創(chuàng)建為例，在對象創(chuàng)建時要經(jīng)歷以下步驟：

1. 根據(jù) new 標識符后面的參數(shù)，在常量池查找類的符號引用;
2. 如果沒找到符號應用(類并未加載)，進行類的加載、解析、初始化等;
3. 虛擬機為對象在堆中分配內(nèi)存，并將分配的內(nèi)存初始化為 0，針對對象頭，建立相應的描述結構(耗時操作：需要查找堆中的空閑區(qū)域，修改內(nèi)存分配狀態(tài)等);
4. 調(diào)用對象的初始化方法(耗時操作：用戶的復雜的邏輯驗證等操作，如IO、數(shù)值計算是否符合規(guī)定等)。

從上述的流程中可以看出，創(chuàng)建一個類需要經(jīng)歷復雜且耗時的操作，因此我們應該盡量復用已有的類，以確保程序的高效運行，當然如果能夠提前創(chuàng)建這些類就再好不過了，而這些功能的實現(xiàn)依靠的就是池化技術。

池化技術應用

常見的池化技術的應用有：線程池、內(nèi)存池、數(shù)據(jù)庫連接池、HttpClient 連接池等，接下來，我們分別來看。

線程池

線程池的原理很簡單，類似于操作系統(tǒng)中的緩沖區(qū)的概念。線程池中會先啟動若干數(shù)量的線程，這些線程都處于睡眠狀態(tài)。當客戶端有一個新的請求時，就會喚醒線程池中的某一個睡眠的線程，讓它來處理客戶端的這個請求，當處理完這個請求之后，線程又處于睡眠的狀態(tài)。線程池能很高地提升程序的性能。比如有一個省級數(shù)據(jù)大集中的銀行網(wǎng)絡中心，高峰期每秒的客戶端請求并發(fā)數(shù)超過 100，如果為每個客戶端請求創(chuàng)建一個新的線程的話，那耗費的 CPU 時間和內(nèi)存都是十分驚人的，如果采用一個擁有 200 個線程的線程池，那將會節(jié)約大量的系統(tǒng)資源，使得更多的 CPU 時間和內(nèi)存用來處理實際的商業(yè)應用，而不是頻繁的線程創(chuàng)建和銷毀。

內(nèi)存池

如何更好地管理應用程序內(nèi)存的使用，同時提高內(nèi)存使用的頻率，這時值得每一個開發(fā)人員深思的問題。內(nèi)存池(Memory Pool)就提供了一個比較可行的解決方案。內(nèi)存池在創(chuàng)建的過程中，會預先分配足夠大的內(nèi)存，形成一個初步的內(nèi)存池。然后每次用戶請求內(nèi)存的時候，就會返回內(nèi)存池中的一塊空閑的內(nèi)存，并將這塊內(nèi)存的標志置為已使用。當內(nèi)存使用完畢釋放內(nèi)存的時候，也不是真正地調(diào)用 free 或 delete 的過程，而是把內(nèi)存放回內(nèi)存池的過程，且放回的過程要把標志置為空閑。最后，應用程序結束就會將內(nèi)存池銷毀，將內(nèi)存池中的每一塊內(nèi)存釋放。內(nèi)存池的優(yōu)點：

• 減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，這個優(yōu)點可以從創(chuàng)建內(nèi)存池的過程中看出，當我們在創(chuàng)建內(nèi)存池的時候，分配的都是一塊塊比較規(guī)整的內(nèi)存塊，減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。
• 提高了內(nèi)存的使用頻率。這個可以從分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存的過程中看出。每次的分配和釋放并不是去調(diào)用系統(tǒng)提供的函數(shù)或操作符去操作實際的內(nèi)存，而是在復用內(nèi)存池中的內(nèi)存。

內(nèi)存池的缺點：會造成內(nèi)存的浪費，因為要使用內(nèi)存池需要在一開始分配一大塊閑置的內(nèi)存，而這些內(nèi)存不一定全部被用到。

數(shù)據(jù)庫連接池

數(shù)據(jù)庫連接池的基本思想是在系統(tǒng)初始化的時候?qū)?shù)據(jù)庫連接作為對象存儲在內(nèi)存中，當用戶需要訪問數(shù)據(jù)庫的時候，并非建立一個新的連接，而是從連接池中取出一個已建立的空閑連接對象。在使用完畢后，用戶也不是將連接關閉，而是將連接放回到連接池中，以供下一個請求訪問使用，而這些連接的建立、斷開都是由連接池自身來管理的。同時，還可以設置連接池的參數(shù)來控制連接池中的初始連接數(shù)、連接的上下限數(shù)和每個連接的最大使用次數(shù)、最大空閑時間等。當然，也可以通過連接池自身的管理機制來監(jiān)視連接的數(shù)量、使用情況等。

HttpClient連接池

HttpClient 我們經(jīng)常用來進行 HTTP 服務訪問。我們的項目中會有一個獲取任務執(zhí)行狀態(tài)的功能使用 HttpClient，一秒鐘請求一次，經(jīng)常會出現(xiàn) Conection Reset 異常。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，問題是出在 HttpClient 的每次請求都會新建一個連接，當創(chuàng)建連接的頻率比關閉連接的頻率大的時候，就會導致系統(tǒng)中產(chǎn)生大量處于 TIME_CLOSED 狀態(tài)的連接，這個時候使用連接池復用連接就能解決這個問題。

線程池介紹

線程池是線程使用的一種模式，它將線程和任務的概念分離開，使用線程來執(zhí)行任務，并提供統(tǒng)一的線程管理和任務管理的實現(xiàn)方法，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程所帶來的性能開銷。

線程池優(yōu)點分析

線程池相比于線程來說，它不需要頻繁的創(chuàng)建和銷毀線程，線程一旦創(chuàng)建之后，默認情況下就會一直保持在線程池中，等到有任務來了，再用這些已有的線程來執(zhí)行任務，如下圖所示：

優(yōu)點1：復用線程，降低資源消耗

線程在創(chuàng)建時要開辟虛擬機棧、本地方法棧、程序計數(shù)器等私有線程的內(nèi)存空間，而銷毀時又要回收這些私有空間資源，如下圖所示： 而線程池創(chuàng)建了線程之后就會放在線程池中，因此線程池相比于線程來說，第一個優(yōu)點就是可以復用線程、減低系統(tǒng)資源的消耗。

優(yōu)點2：提高響應速度

線程池是復用已有線程來執(zhí)行任務的，而線程是在有任務時才新建的，所以相比于線程來說，線程池能夠更快的響應任務和執(zhí)行任務。

優(yōu)點3：管控線程數(shù)和任務數(shù)

線程池提供了更多的管理功能，這里管理功能主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1. 控制最大并發(fā)數(shù)：線程池可以創(chuàng)建固定的線程數(shù)，從而避免了無限創(chuàng)建線程的問題。當線程創(chuàng)建過多時，會導致系統(tǒng)執(zhí)行變慢，因為 CPU 核數(shù)是一定的、能同時處理的任務數(shù)也是一定的，而線程過多時就會造成線程惡意爭搶和線程頻繁切換的問題，從而導致程序執(zhí)行變慢，所以合適的線程數(shù)才是高性能運行的關鍵。
2. 控制任務最大數(shù)：如果任務無限多，而內(nèi)存又不足的情況下，就會導致程序執(zhí)行報錯，而線程池可以控制最大任務數(shù)，當任務超過一定數(shù)量之后，就會采用拒絕策略來處理多出的任務，從而保證了系統(tǒng)可以健康的運行。

優(yōu)點4：更多增強功能

線程池相比于線程來說提供了更多的功能，比如定時執(zhí)行和周期執(zhí)行等功能。

總結

池化技術指的是提前準備一些資源，在需要時可以重復使用這些預先準備的資源。池化技術的優(yōu)點主要有兩個：提前準備和重復利用。線程池是池化技術的典型場景，線程池的優(yōu)點主要有 4 點：

1. 復用線程，降低了資源消耗;
2. 提高響應速度;
3. 提供了管理線程數(shù)和任務數(shù)的能力;
4. 更多增強功能。