深度几种线程池的实现算法分析

Posted 2021-04-06 InfoQ

1. 前言

在阅读研究线程池的源码之前，一直感觉线程池是一个框架中最高深的技术。研究后才发现，线程池的实现是如此精巧。本文从技术角度分析了线程池的本质原理和组成，同时分析了JDK、Jetty6、Jetty8、Tomcat的源码实现，对于想了解线程池本质、更好的使用线程池或者定制实现自己的线程池的业务场景具有一定指导意义。

2. 使用线程池的意义

• 复用：类似WEB服务器等系统，长期来看内部需要使用大量的线程处理请求，而单次请求响应时间通常比较短，此时Java基于操作系统的本地调用方式大量的创建和销毁线程本身会成为系统的一个性能瓶颈和资源浪费。若使用线程池技术可以实现工作线程的复用，即一个工作线程创建和销毁的生命周期期间内可以执行处理多个任务，从而总体上降低线程创建和销毁的频率和时间，提升了系统性能。

• 流控：服务器资源有限，超过服务器性能的过高并发设置反而成为系统的负担，造成CPU大量耗费于上下文切换、内存溢出等后果。通过线程池技术可以控制系统最大并发数和最大处理任务量，从而很好的实现流控，保证系统不至于崩溃。

• 功能：JDK的线程池实现的非常灵活，并提供了很多功能，一些场景基于功能的角度会选择使用线程池。

3. 线程池技术要点：

从内部实现上看，线程池技术可主要划分为如下6个要点实现：

图1线程池技术要点

• 工作者线程worker：即线程池中可以重复利用起来执行任务的线程，一个worker的生命周期内会不停的处理多个业务job。线程池“复用”的本质就是复用一个worker去处理多个job，“流控“的本质就是通过对worker数量的控制实现并发数的控制。通过设置不同的参数来控制worker的数量可以实现线程池的容量伸缩从而实现复杂的业务需求

• 待处理工作job的存储队列：工作者线程workers的数量是有限的，同一时间最多只能处理最多workers数量个job。对于来不及处理的job需要保存到等待队列里，空闲的工作者work会不停的读取空闲队列里的job进行处理。基于不同的队列实现，可以扩展出多种功能的线程池，如定制队列出队顺序实现带处理优先级的线程池、定制队列为阻塞有界队列实现可阻塞能力的线程池等。流控一方面通过控制worker数控制并发数和处理能力，一方面可基于队列控制线程池处理能力的上限。

• 线程池初始化：即线程池参数的设定和多个工作者workers的初始化。通常有一开始就初始化指定数量的workers或者有请求时逐步初始化工作者两种方式。前者线程池启动初期响应会比较快但造成了空载时的少量性能浪费，后者是基于请求量灵活扩容但牺牲了线程池启动初期性能达不到最优。

• 处理业务job算法：业务给线程池添加任务job时线程池的处理算法。有的线程池基于算法识别直接处理job还是增加工作者数处理job或者放入待处理队列，也有的线程池会直接将job放入待处理队列，等待工作者worker去取出执行。

• workers的增减算法：业务线程数不是持久不变的，有高低峰期。线程池要有自己的算法根据业务请求频率高低调节自身工作者workers的数量来调节线程池大小，从而实现业务高峰期增加工作者数量提高响应速度，而业务低峰期减少工作者数来节省服务器资源。增加算法通常基于几个维度进行：待处理工作job数、线程池定义的最大最小工作者数、工作者闲置时间。

• 线程池终止逻辑:应用停止时线程池要有自身的停止逻辑，保证所有job都得到执行或者抛弃。

4. 几种线程池的实现细节

在本文的第四部分，作者以表格对比了JDK、Jetty 6、Jetty 8和Tomcat的线程池实现方式，读者可以点击“阅读原文”来查看。