从java源码分析线程池(池化技术)的实现原理

前言：

线程池是一个非常重要的知识点，也是池化技术的一个典型应用，相信很多人都有使用线程池的经历，但是对于线程池的实现原理大家都了解吗？本篇文章我们将深入线程池源码来一探究竟。

线程池的起源

背景： 随着计算机硬件的升级换代，使我们的软件具备多线程执行任务的能力。当我们在进行多线程编程时，就需要创建线程，如果说程序并发很高的话，我们会创建大量的线程，而每个线程执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程，会极大的降低系统性能，增加服务器开销，因为创建线程和销毁线程都需要额外的消耗。

这时我们就可以借助池化技术，来优化这一缺陷，线程池就诞生了。

池化技术的本质是在高并发场景下，为了实现资源复用，减少资源创建销毁等开销，如果并发数很小没有明显优势（资源一直占用系统内存，没有机会被使用）。

池化技术介绍： 什么时池化技术呢？池化技术是一种编程技巧，当程序出现高并发时，能够明显的优化程序，降低系统频繁创建销毁连接等额外开销。我们经常接触到的池化技术有数据库连接池、线程池、对象池等等。池化技术的特点是将一些高成本的资源维护在一个特定的池子（内存）中，规定其最小连接数、最大连接数、阻塞队列，溢出规则等配置，方便统一管理。一般情况下也会附带一些监控，强制回收等配套功能。

池化技术作为一种资源使用技术，典型的使用情形是：

• 获取资源的成本较高的时候
• 请求资源的频率很高且使用资源总数较低的时候
• 面对性能问题，涉及到处理时间延迟的时候

池化技术资源分类：

• 系统调用的系统资源，如线程、进程、内存分配等
• 网络通信的远程资源, 如数据库连接、套接字连接等

线程池的定义和使用

线程池是我们为了规避创建线程，销毁线程额外开销而诞生的，所以说我们定义创建好线程池之后，就不需要自己来创建线程，而是使用线程池调用执行我们的任务。下面我们一起看一下如何定义并创建线程池。

方案一：Executors（仅做了解，推荐使用方案二）

创建线程池可以使用Executors，其中提供了一系列工厂方法用于创建线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

ExecutorService 接口是Executor接口的子类接口，使用更为广泛，其提供了线程池生命周期管理的方法，返回 Future 对象。

也就是说我们通过Executors创建线程池，得到ExecutorService，通过ExecutorService执行异步任务（实现Runnable接口）

Executors 可以创建一下几种类型的线程池：

• newCachedThreadPool 创建一个可缓存线程池，如果线程池线程数量过剩，会在60秒后回收掉多余线程资源，当任务书增加，线程不够用，则会新建线程。
• newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
• newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
• newSingleThreadExecutor 创建一个单线程的线程池，只使用唯一的线程来执行任务，可以保证任务按照提交顺序来完成。

方案二：ThreadPoolExecutor

在阿里巴巴开发规范中，规定线程池不允许通过Executors创建，而是通过ThreadPoolExecutor创建。

好处：让写的同学可以更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

ThreadPoolExecutor的七大参数：

(1)corePoolSize 核心线程数量，核心线程会一直保留，不会被销毁。

(2)maximumPoolSize 最大线程数，当核心线程不能满足任务需要时，系统就会创建新的线程来执行任务。

(3)keepAliveTime 存活时间，核心线程之外的线程空闲多长时间就会被销毁。

(4)timeUnit 代表线程存活的时间单位。

(5)BlockingQueue 阻塞队列

• 如果正在执行的任务超过了最大线程数，可以存放在队列中，当线程池中有空闲资源就可以从队列中取出任务继续执行。
• 队列类型有如下几种类型：LinkedBlockingQueue ArrayBlockingQueue SynchronousQueue TransferQueue。

(6)threadFactory 线程工厂，用来创建线程的，可以自定义线程，比如我们可以定义线程组名称，在jstack问题排查时，非常有帮助。

(7)rejectedExecutionHandler 拒绝策略,

当所有线程（最大线程数）都在忙，并且任务队列处于满任务的状态，则会执行拒绝策略。

JDK为我们提供了四种拒绝策略，我们必须都得熟悉

• AbortPolicy: 丢弃任务，并抛出异常RejectedExecutionException。 默认
• DiscardPolicy: 丢弃最新的任务，不抛异常。
• DiscardOldestPolicy: 扔掉排队时间最久的任务，也就是最旧的任务。
• CallerRuns: 由调用者（提交异步任务的线程）处理任务。

线程池的实现原理

想要实现一个线程池我们就需要关心ThreadPoolExecutor类，因为Executors创建线程池也是通过new ThreadPoolExecutor对象。

看一下ThreadPoolExecutor的类继承关系，可以看出为什么通过Executors创建的线程池返回结果是ExecutorService，因为ThreadPoolExecutor是ExecutorService接口的实现类，而Executors创建线程池本质也是创建的ThreadPoolExecutor 对象。

下面我们一起看一下ThreadPoolExecutor的源码，首先是ThreadPoolExecutor内定义的变量，常量：

    // 复合类型变量 是一个原子整数  控制状态（运行状态|线程池活跃线程数量）
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); 
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 低29位 
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1; // 容量
    // 运行状态存储在高位3位
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;  // 接受新任务，并处理队列任务
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;  // 不接受新任务，但会处理队列任务
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;  // 不接受新任务，不会处理队列任务，中断正在处理的任务
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;  // 所有的任务已结束，活跃线程为0，线程过渡到TIDYING状       态，将会执行terminated()钩子方法
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;  // terminated()方法已经完成
    // 设置 ctl 参数方法
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
    /**
     * 阻塞队列
     */
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
    /**
     * Lock 锁.
     */
    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
    /**
     * 工人们
     */
    private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
    /**
     * 等待条件支持等待终止
     */
    private final Condition termination = mainLock.newCondition();
    /**
     * 最大的池大小.
     */
    private int largestPoolSize;
    /**
     * 完成任务数
     */
    private long completedTaskCount;
    /**
     * 线程工厂
     */
    private volatile ThreadFactory threadFactory;
    /**
     * 拒绝策略
     */
    private volatile RejectedExecutionHandler handler;
    /**
     * 存活时间
     */
    private volatile long keepAliveTime;
    /**
     * 允许核心线程数
     */
    private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
    /**
     * 核心线程数
     */
    private volatile int corePoolSize;
    /**
     * 最大线程数
     */
    private volatile int maximumPoolSize;
    /**
     * 默认拒绝策略
     */
    private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
        new AbortPolicy();
    /**
     * shutdown and shutdownNow权限
     */
    private static final RuntimePermission shutdownPerm =
        new RuntimePermission("modifyThread");

构造器,,支持最少五种参数，最大七中参数的四种构造器：

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
    }
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler);
    }
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

工人，线程池中执行任务的，线程池就是通过这些工人进行工作的，有核心员工（核心线程）和临时工（人手不够的时候，临时创建的，如果空闲时间厂，就会被裁员），

    private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
        // 工人的本质就是个线程
        final Thread thread;
        // 第一件工作任务
        Runnable firstTask;
      volatile long completedTasks;
        /**
         * 构造器
         */
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
        /** 工作  */
        public void run() {
            runWorker(this);
        }
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }
        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
        protected boolean tryRelease(int unused) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        public void lock()        { acquire(1); }
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        public void unlock()      { release(1); }
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
        void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }
    }

核心方法，通过线程池执行任务（这也是线程池的运行原理）：

• 检验任务
• 获取当前线程池状态
• 判断上班工人数量是否小于核心员工数
• 如果小于则招人，安排工作
• 不小于则判断等候区任务是否排满
• 如果没有排满则任务排入等候区
• 如果排满，看是否允许招人，允许招人则招临时工
• 如果都不行，该线程池无法接收新任务，开始按老板约定的拒绝策略，执行拒绝策略

    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        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);
        }
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

submit（）方法是其抽象父类定义的，这里我们就可以明显看到submit与execute的区别，通过submit调用，我们会创建RunnableFuture，并且会返回Future，这里我们可以将返回值类型，告知submit方法，它就会通过泛型约束返回值。

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
    public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    ...
}       

addWorker()是招人的一个方法：

    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // 判断状态，及任务列表
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;
            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                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 {
            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();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

获取任务的方法：

    private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // Check if queue empty only if necessary.
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            int wc = workerCountOf(c);
            // Are workers subject to culling?
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }
            try {
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }

让员工干活的方法，分配任务，运行任务：

   final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            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 {
                        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 {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

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