从源码分析线程池(池化技术)的实现原理

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 workQueue;​/** * Lock 锁. */private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();​/** * 工人们 */private final HashSet workers = new HashSet();​/** * 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 workQueue) {this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler); }​public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory) {this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, defaultHandler); }​public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, RejectedExecutionHandler handler) {this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), handler); }​public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue 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 Workerextends AbstractQueuedSynchronizerimplements 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 runWorkerthis.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 ftask = newTaskFor(task, null);execute(ftask);return ftask; }​public  Future submit(Runnable task, T result) {if (task == null) throw new NullPointerException();RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);execute(ftask);return ftask; }​public  Future submit(Callable task) {if (task == null) throw new NullPointerException();RunnableFuture 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 ctlif (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  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 interruptsboolean 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 interruptif ((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); } }

最后

文章到这里就结束了，如果对你有帮助的话可以关注一下小编的微信公众号【清朝程序猿】除了讲技术，还有话偷偷对你说哦~