Java线程池原理分析
作者：互联网
1. 简介
Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
- 降低资源消耗 。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
- 提高响应速度 。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
- 提高线程的可管理性 。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。
2. 线程池的继承体系
如上图，最顶层的接口 Executor 仅声明了一个方法execute。ExecutorService 接口在其父类接口基础上，声明了包含但不限于shutdown、submit、invokeAll、invokeAny 等方法。至于 ScheduledExecutorService 接口，则是声明了一些和定时任务相关的方法，比如 schedule和scheduleAtFixedRate。线程池的核心实现是在 ThreadPoolExecutor 类中，我们使用 Executors 调用newFixedThreadPool、newSingleThreadExecutor和newCachedThreadPool等方法创建线程池均是 ThreadPoolExecutor 类型。
3. 核心参数分析
核心参数的配置在我的这篇博客《线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式》中有详细介绍，也可以移步参考。
3.1 核心参数简介
线程池的核心实现即 ThreadPoolExecutor 类。该类包含了几个核心属性，这些属性在可在构造方法进行初始化。在介绍核心属性前，我们先来看看 ThreadPoolExecutor 的构造方法，如下：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
线程池的核心参数有如上七个，各个参数意义如下：
3.2 线程创建规则
在 Java 线程池实现中，线程池所能创建的线程数量受限于 corePoolSize 和 maximumPoolSize 两个参数值。线程的创建时机则和 corePoolSize 以及 workQueue 两个参数有关。
执行图示如下：
3.3 资源回收
考虑到系统资源是有限的，对于线程池超出 corePoolSize 数量的空闲线程应进行回收操作。进行此操作存在一个问题，即回收时机。目前的实现方式是当线程空闲时间超过 keepAliveTime 后，进行回收。除了核心线程数之外的线程可以进行回收，核心线程内的空闲线程也可以进行回收。回收的前提是allowCoreThreadTimeOut属性被设置为 true，通过public void allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法可以设置属性值。
3.4 排队策略
当线程数量大于等于 corePoolSize，workQueue 未满时，则缓存新任务。这里要考虑使用什么类型的容器缓存新任务，通过 JDK 文档介绍，我们可知道有3中类型的容器可供使用，分别是同步队列，有界队列和无界队列。对于有优先级的任务，这里还可以增加优先级队列。以上所介绍的4中类型的队列，对应的实现类如下：
3.5 拒绝策略
当线程数量大于等于 maximumPoolSize，且 workQueue 已满，则使用拒绝策略处理新任务。Java 线程池提供了4中拒绝策略实现类，AbortPolicy 是线程池实现类所使用的策略。
4. 线程池的操作
4.1 线程的创建与复用
下面是实现类中一些比较重要的成员变量：
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); //线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小、runState等）的改变都要使用这个锁 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //用来存放工作集 private volatile long keepAliveTime; //线程存活时间 private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut; //是否允许为核心线程设置存活时间 private volatile int corePoolSize; //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列） private volatile int maximumPoolSize; //线程池最大能容忍的线程数 private volatile int poolSize; //线程池中当前的线程数 private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略 private volatile ThreadFactory threadFactory; //线程工厂，用来创建线程 private int largestPoolSize; //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数 private long completedTaskCount; //用来记录已经执行完毕的任务个数
在线程池的实现上，线程的创建是通过线程工厂接口ThreadFactory的实现类来完成的。默认情况下，线程池使用Executors.defaultThreadFactory()方法返回的线程工厂实现类。当然，我们也可以通过 public void setThreadFactory(ThreadFactory)方法进行动态修改。
+----ThreadPoolExecutor.Worker.java
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1);
this.firstTask = firstTask;
// 调用线程工厂创建线程
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
// Worker 实现了 Runnable 接口
public void run() {
runWorker(this);
}
+----ThreadPoolExecutor.java
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环从任务队列中获取新任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 执行新任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 线程退出后，进行后续处理
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
4.2 提交任务
通常情况下，我们可以通过线程池的submit方法提交任务。被提交的任务可能会立即执行，也可能会被缓存或者被拒绝。任务的处理流程如下图所示：
对应代码：
+---- AbstractExecutorService.java
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 创建任务
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
// 提交任务
execute(ftask);
return ftask;
}
+---- ThreadPoolExecutor.java
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 如果工作线程数量 < 核心线程数，则创建新线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加工作者对象
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 缓存任务，如果队列已满，则 offer 方法返回 false。否则，offer 返回 true
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 添加工作者对象，并在 addWorker 方法中检测线程数是否小于最大线程数
else if (!addWorker(command, false))
// 线程数 >= 最大线程数，使用拒绝策略处理任务
reject(command);
}
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 检测工作线程数与核心线程数或最大线程数的关系
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 创建工作者对象，细节参考上一节所贴代码
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 将 worker 对象添加到 workers 集合中
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 更新 largestPoolSize 属性
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
// 开始执行任务
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
4.3 关闭线程池
我们可以通过shutdown和shutdownNow两个方法关闭线程池。两个方法的区别在于，shutdown 会将线程池的状态设置为SHUTDOWN，同时该方法还会中断空闲线程。shutdownNow 则会将线程池状态设置为STOP，并尝试中断所有的线程。中断线程使用的是Thread.interrupt方法，未响应中断方法的任务是无法被中断的。最后，shutdownNow 方法会将未执行的任务全部返回。
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
//线程池状态设置为 SHUTDOWN
advanceRunState(SHUTDOWN);
//中断空闲线程
interruptIdleWorkers();
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
//线程池状态设置为 SHUTDOWN
advanceRunState(STOP);
//中断所有线程
interruptWorkers();
//未执行任务 用于return
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
调用 shutdown 和 shutdownNow 方法关闭线程池后，就不能再向线程池提交新任务了。对于处于关闭状态的线程池，会使用拒绝策略处理新提交的任务。
5. 线程池大小配置
本节来讨论一个比较重要的话题：如何合理配置线程池大小，仅供参考。
一般需要根据任务的类型来配置线程池大小：
- 如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1
- 如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU
当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。
参考：
https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932921.html
《Java并发编程的艺术》
标签：Java,mainLock,int,private,任务,线程,原理,null 来源： https://www.cnblogs.com/zjfjava/p/13908426.html