Java 线程池原理分析

Posted 2020-11-26 windy杨树

1.简介

线程池可以简单看做是一组线程的集合，通过使用线程池，我们可以方便的复用线程，避免了频繁创建和销毁线程所带来的开销。在应用上，线程池可应用在后端相关服务中。比如 Web 服务器，数据库服务器等。以 Web 服务器为例，假如 Web 服务器会收到大量短时的 HTTP 请求，如果此时我们简单的为每个 HTTP 请求创建一个处理线程，那么服务器的资源将会很快被耗尽。当然我们也可以自己去管理并复用已创建的线程，以限制资源的消耗量，但这样会使用程序的逻辑变复杂。好在，幸运的是，我们不必那样做。在 JDK 1.5 中，官方已经提供了强大的线程池工具类。通过使用这些工具类，我们可以用低廉的代价使用多线程技术。

线程池作为 Java 并发重要的工具类，在会用的基础上，我觉得很有必要去学习一下线程池的相关原理。毕竟线程池除了要管理线程，还要管理任务，同时还要具备统计功能。所以多了解一点，还是可以扩充眼界的，同时也可以更为熟悉线程池技术。

2.继承体系

线程池所涉及到的接口和类并不是很多，其继承体系也相对简单。相关继承关系如下：

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。

以上是对线程池继承体系的简单介绍，这里先让大家对线程池大致轮廓有一定的了解。接下来我会介绍一下线程池的实现原理，继续往下看吧。

3.原理分析

3.1 核心参数分析

3.1.1 核心参数简介

如上节所说，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)

如上所示，构造方法的参数即核心参数，这里我用一个表格来简要说明一下各个参数的意义。如下：

参数	说明
corePoolSize	核心线程数。当线程数小于该值时，线程池会优先创建新线程来执行新任务
maximumPoolSize	线程池所能维护的最大线程数
keepAliveTime	空闲线程的存活时间
workQueue	任务队列，用于缓存未执行的任务
threadFactory	线程工厂。可通过工厂为新建的线程设置更有意义的名字
handler	拒绝策略。当线程池和任务队列均处于饱和状态时，使用拒绝策略处理新任务。默认是 AbortPolicy，即直接抛出异常

以上是各个参数的简介，下面我将会针对部分参数进行详细说明，继续往下看。

3.1.2 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。下面列举一下线程创建的4个规则（线程池中无空闲线程），如下：

1. 线程数量小于 corePoolSize，直接创建新线程处理新的任务
2. 线程数量大于等于 corePoolSize，workQueue 未满，则缓存新任务
3. 线程数量大于等于 corePoolSize，但小于 maximumPoolSize，且 workQueue 已满。则创建新线程处理新任务
4. 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

简化一下上面的规则：

序号	条件	动作
1	线程数 < corePoolSize	创建新线程
2	线程数 ≥ corePoolSize，且 workQueue 未满	缓存新任务
3	corePoolSize ≤ 线程数 ＜ maximumPoolSize，且 workQueue 已满	创建新线程
4	线程数 ≥ maximumPoolSize，且 workQueue 已满	使用拒绝策略处理

3.1.3 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。

3.1.4 排队策略

如3.1.2 线程创建规则一节中规则2所说，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：

实现类	类型	说明
SynchronousQueue	同步队列	该队列不存储元素，每个插入操作必须等待另一个线程调用移除操作，否则插入操作会一直阻塞
ArrayBlockingQueue	有界队列	基于数组的阻塞队列，按照 FIFO 原则对元素进行排序
LinkedBlockingQueue	无界队列	基于链表的阻塞队列，按照 FIFO 原则对元素进行排序
PriorityBlockingQueue	优先级队列	具有优先级的阻塞队列

3.1.5 拒绝策略

如3.1.2 线程创建规则一节中规则4所说，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，如下：

实现类	说明
AbortPolicy	丢弃新任务，并抛出 RejectedExecutionException
DiscardPolicy	不做任何操作，直接丢弃新任务
DiscardOldestPolicy	丢弃队列队首的元素，并执行新任务
CallerRunsPolicy	由调用线程执行新任务

以上4个拒绝策略中，AbortPolicy 是线程池实现类所使用的策略。我们也可以通过方法public void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler)修改线程池决绝策略。

3.2 重要操作

3.2.1 线程的创建与复用

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。具体细节这里就不多说了，并不复杂，大家可以自己去看下源码。

在线程池中，线程的复用是线程池的关键所在。这就要求线程在执行完一个任务后，不能立即退出。对应到具体实现上，工作线程在执行完一个任务后，会再次到任务队列获取新的任务。如果任务队列中没有任务，且 keepAliveTime 也未被设置，工作线程则会被一致阻塞下去。通过这种方式即可实现线程复用。

说完原理，再来看看线程的创建和复用的相关代码（基于 JDK 1.8），如下：

+----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);
    }
}

3.2.2 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：

上面的流程图不是很复杂，下面再来看看流程图对应的代码，如下：

+---- 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;
}

上面的代码略多，不过结合上面的流程图，和我所写的注释，理解主逻辑应该不难。

3.2.3 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。

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。

4.几种线程池

一般情况下，我们并不直接使用 ThreadPoolExecutor 类创建线程池，而是通过 Executors 工具类去构建线程池。通过 Executors 工具类，我们可以构造5中不同的线程池。下面通过一个表格简单介绍一下几种线程池，如下：

静态构造方法	说明
newFixedThreadPool(int nThreads)	构建包含固定线程数的线程池，默认情况下，空闲线程不会被回收
newCachedThreadPool()	构建线程数不定的线程池，线程数量随任务量变动，空闲线程存活时间超过60秒后会被回收
newSingleThreadExecutor()	构建线程数为1的线程池，等价于 newFixedThreadPool(1) 所构造出的线程池
newScheduledThreadPool(int corePoolSize)	构建核心线程数为 corePoolSize，可执行定时任务的线程池
newSingleThreadScheduledExecutor()	等价于 newScheduledThreadPool(1)

5. 总结

好了，到此，本文的主要内容就结束了。在本文中，我对线程池的主要原理做了简要分析。虽然只是简要分析，但通过分析并撰写此篇文章，也使我个人对 Java 线程池有了更深的认识。需要说明的是，限于时间原因，本文并未将线程池所有的知识都说一遍。关于其他方面的东西，大家可以自己阅读以下 JDK 文档，或者翻翻源码，我这里就不多说了。

好了，本文到此结束，文中如有不妥错误之处欢迎大家指出。最后感谢大家阅读，下篇文章再见。