Java 线程池详解

Posted 2022-10-28 热爱编程的大忽悠

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java 线程池详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Java 线程池详解

一使用线程池的好处

池化技术想必大家已经屡见不鲜了，线程池、数据库连接池、Http 连接池等等都是对这个思想的应用。池化技术的思想主要是为了减少每次获取资源的消耗，提高对资源的利用率。

线程池提供了一种限制和管理资源（包括执行一个任务）的方式。每个线程池还维护一些基本统计信息，例如已完成任务的数量。

这里借用《Java 并发编程的艺术》提到的来说一下使用线程池的好处：

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，如果无限制的创建，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的分配，调优和监控。

二 Executor 框架

2.1 简介

Executor 框架是 Java5 之后引进的，在 Java 5 之后，通过 Executor 来启动线程比使用 Thread 的 start 方法更好，除了更易管理，效率更好（用线程池实现，节约开销）外，还有关键的一点：有助于避免 this 逃逸问题。

补充：this 逃逸是指在构造函数返回之前其他线程就持有该对象的引用. 调用尚未构造完全的对象的方法可能引发令人疑惑的错误。

Executor 框架不仅包括了线程池的管理，还提供了线程工厂、队列以及拒绝策略等，Executor 框架让并发编程变得更加简单。

2.2 Executor 框架结构(主要由三大部分组成)

1) 任务(`Runnable` /`Callable`)

执行任务需要实现的 Runnable 接口 或 Callable接口。Runnable 接口或 Callable 接口 实现类都可以被 ThreadPoolExecutor 或 ScheduledThreadPoolExecutor 执行。

2) 任务的执行(`Executor`)

如下图所示，包括任务执行机制的核心接口 Executor ，以及继承自 Executor 接口的 ExecutorService 接口。ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor 这两个关键类实现了 ExecutorService 接口。

这里提了很多底层的类关系，但是，实际上我们需要更多关注的是 ThreadPoolExecutor 这个类，这个类在我们实际使用线程池的过程中，使用频率还是非常高的。

注意： 通过查看 ScheduledThreadPoolExecutor 源代码我们发现 ScheduledThreadPoolExecutor 实际上是继承了 ThreadPoolExecutor 并实现了 ScheduledExecutorService ，而 ScheduledExecutorService 又实现了 ExecutorService，正如我们下面给出的类关系图显示的一样。

ThreadPoolExecutor 类描述:

//AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService

ScheduledThreadPoolExecutor 类描述:

//ScheduledExecutorService继承ExecutorService接口
public class ScheduledThreadPoolExecutor
        extends ThreadPoolExecutor
        implements ScheduledExecutorService

3) 异步计算的结果(`Future`)

Future 接口以及 Future 接口的实现类 FutureTask 类都可以代表异步计算的结果。

当我们把 Runnable接口 或 Callable 接口 的实现类提交给 ThreadPoolExecutor 或 ScheduledThreadPoolExecutor 执行。（调用 submit() 方法时会返回一个 FutureTask 对象）

2.3 Executor 框架的使用示意图

主线程首先要创建实现 Runnable 或者 Callable 接口的任务对象。
把创建完成的实现 Runnable/Callable接口的对象直接交给 ExecutorService 执行: ExecutorService.execute（Runnable command））或者也可以把 Runnable 对象或Callable 对象提交给 ExecutorService 执行（ExecutorService.submit（Runnable task）或 ExecutorService.submit（Callable <T> task））。
如果执行 ExecutorService.submit（…），ExecutorService 将返回一个实现Future接口的对象（我们刚刚也提到过了执行 execute()方法和 submit()方法的区别，submit()会返回一个 FutureTask 对象）。由于 FutureTask 实现了 Runnable，我们也可以创建 FutureTask，然后直接交给 ExecutorService 执行。
最后，主线程可以执行 FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行 FutureTask.cancel（boolean mayInterruptIfRunning）来取消此任务的执行。

三 (重要)ThreadPoolExecutor 类简单介绍

线程池实现类 ThreadPoolExecutor 是 Executor 框架最核心的类。

3.1 ThreadPoolExecutor 类分析

ThreadPoolExecutor 类中提供的四个构造方法。我们来看最长的那个，其余三个都是在这个构造方法的基础上产生（其他几个构造方法说白点都是给定某些默认参数的构造方法比如默认制定拒绝策略是什么）。

    /**
     * 用给定的初始参数创建一个新的ThreadPoolExecutor。
     */
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,//线程池的核心线程数量
                              int maximumPoolSize,//线程池的最大线程数
                              long keepAliveTime,//当线程数大于核心线程数时，多余的空闲线程存活的最长时间
                              TimeUnit unit,//时间单位
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,//任务队列，用来储存等待执行任务的队列
                              ThreadFactory threadFactory,//线程工厂，用来创建线程，一般默认即可
                              RejectedExecutionHandler handler//拒绝策略，当提交的任务过多而不能及时处理时，我们可以定制策略来处理任务
                               ) 
        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;

下面这些对创建非常重要，在后面使用线程池的过程中你一定会用到！所以，务必拿着小本本记清楚。

ThreadPoolExecutor 3 个最重要的参数：

corePoolSize : 核心线程数线程数定义了最小可以同时运行的线程数量。
maximumPoolSize : 当队列中存放的任务达到队列容量的时候，当前可以同时运行的线程数量变为最大线程数。
workQueue: 当新任务来的时候会先判断当前运行的线程数量是否达到核心线程数，如果达到的话，新任务就会被存放在队列中。

ThreadPoolExecutor其他常见参数 :

keepAliveTime:当线程池中的线程数量大于 corePoolSize 的时候，如果这时没有新的任务提交，核心线程外的线程不会立即销毁，而是会等待，直到等待的时间超过了 keepAliveTime才会被回收销毁；
unit : keepAliveTime 参数的时间单位。
threadFactory :executor 创建新线程的时候会用到。
handler :饱和策略。关于饱和策略下面单独介绍一下。

下面这张图可以加深你对线程池中各个参数的相互关系的理解（图片来源：《Java 性能调优实战》）：

ThreadPoolExecutor 饱和策略定义:

如果当前同时运行的线程数量达到最大线程数量并且队列也已经被放满了任务时，ThreadPoolTaskExecutor 定义一些策略:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy ：抛出 RejectedExecutionException来拒绝新任务的处理。
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy ：调用执行自己的线程运行任务，也就是直接在调用execute方法的线程中运行(run)被拒绝的任务，如果执行程序已关闭，则会丢弃该任务。因此这种策略会降低对于新任务提交速度，影响程序的整体性能。如果您的应用程序可以承受此延迟并且你要求任何一个任务请求都要被执行的话，你可以选择这个策略。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy ：不处理新任务，直接丢弃掉。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy ：此策略将丢弃最早的未处理的任务请求。

举个例子：

Spring 通过 ThreadPoolTaskExecutor 或者我们直接通过 ThreadPoolExecutor 的构造函数创建线程池的时候，当我们不指定 RejectedExecutionHandler 饱和策略的话来配置线程池的时候默认使用的是 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy。在默认情况下，ThreadPoolExecutor 将抛出 RejectedExecutionException 来拒绝新来的任务，这代表你将丢失对这个任务的处理。对于可伸缩的应用程序，建议使用 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy。当最大池被填满时，此策略为我们提供可伸缩队列。（这个直接查看 ThreadPoolExecutor 的构造函数源码就可以看出，比较简单的原因，这里就不贴代码了。）

3.2 推荐使用 `ThreadPoolExecutor` 构造函数创建线程池

在《阿里巴巴 Java 开发手册》“并发处理”这一章节，明确指出线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显式创建线程。

为什么呢？

使用线程池的好处是减少在创建和销毁线程上所消耗的时间以及系统资源开销，解决资源不足的问题。如果不使用线程池，有可能会造成系统创建大量同类线程而导致消耗完内存或者“过度切换”的问题。

另外，《阿里巴巴 Java 开发手册》中强制线程池不允许使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 构造函数的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险

Executors 返回线程池对象的弊端如下(后文会详细介绍到)：

FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor ：允许请求的队列长度为 Integer.MAX_VALUE,可能堆积大量的请求，从而导致 OOM。
CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool ：允许创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE ，可能会创建大量线程，从而导致 OOM。

*方式一：通过ThreadPoolExecutor构造函数实现（推荐）

方式二：通过 Executor 框架的工具类 Executors 来实现 我们可以创建三种类型的 ThreadPoolExecutor：

FixedThreadPool
SingleThreadExecutor
CachedThreadPool

对应 Executors 工具类中的方法如图所示：

四 ThreadPoolExecutor 使用+原理分析

我们上面讲解了 Executor框架以及 ThreadPoolExecutor 类，下面让我们实战一下，来通过写一个 ThreadPoolExecutor 的小 Demo 来回顾上面的内容。

4.1 示例代码:`Runnable`+`ThreadPoolExecutor`

首先创建一个 Runnable 接口的实现类（当然也可以是 Callable 接口，我们上面也说了两者的区别。）

import java.util.Date;

/**
 * 这是一个简单的Runnable类，需要大约5秒钟来执行其任务。
 * @author shuang.kou
 */
public class MyRunnable implements Runnable 

    private String command;

    public MyRunnable(String s) 
        this.command = s;
    

    @Override
    public void run() 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start. Time = " + new Date());
        processCommand();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End. Time = " + new Date());
    

    private void processCommand() 
        try 
            Thread.sleep(5000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

    @Override
    public String toString() 
        return this.command;

编写测试程序，我们这里以阿里巴巴推荐的使用 ThreadPoolExecutor 构造函数自定义参数的方式来创建线程池。

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolExecutorDemo 

    private static final int CORE_POOL_SIZE = 5;
    private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;
    private static final int QUEUE_CAPACITY = 100;
    private static final Long KEEP_ALIVE_TIME = 1L;
    public static void main(String[] args) 

        //使用阿里巴巴推荐的创建线程池的方式
        //通过ThreadPoolExecutor构造函数自定义参数创建
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                CORE_POOL_SIZE,
                MAX_POOL_SIZE,
                KEEP_ALIVE_TIME,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY),
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            //创建WorkerThread对象（WorkerThread类实现了Runnable 接口）
            Runnable worker = new MyRunnable("" + i);
            //执行Runnable
            executor.execute(worker);
        
        //终止线程池
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) 
        
        System.out.println("Finished all threads");

可以看到我们上面的代码指定了：

corePoolSize: 核心线程数为 5。
maximumPoolSize ：最大线程数 10
keepAliveTime : 等待时间为 1L。
unit: 等待时间的单位为 TimeUnit.SECONDS。
workQueue：任务队列为 ArrayBlockingQueue，并且容量为 100;
handler:饱和策略为 CallerRunsPolicy。

Output：

pool-1-thread-3 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:37 CST 2020
pool-1-thread-5 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:37 CST 2020
pool-1-thread-2 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:37 CST 2020
pool-1-thread-1 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:37 CST 2020
pool-1-thread-4 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:37 CST 2020
pool-1-thread-3 End. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-4 End. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-1 End. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-5 End. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-1 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-2 End. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-5 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-4 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-3 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-2 Start. Time = Sun Apr 12 11:14:42 CST 2020
pool-1-thread-1 End. Time = Sun Apr 12 11:14:47 CST 2020
pool-1-thread-4 End. Time = Sun Apr 12 11:14:47 CST 2020
pool-1-thread-5 End. Time = Sun Apr 12 11:14:47 CST 2020
pool-1-thread-3 End. Time = Sun Apr 12 11:14:47 CST 2020
pool-1-thread-2 End. Time = Sun Apr 12 11:14:47 CST 2020

4.2 线程池原理分析

承接 4.1 节，我们通过代码输出结果可以看出：线程池首先会先执行 5 个任务，然后这些任务有任务被执行完的话，就会去拿新的任务执行。 大家可以先通过上面讲解的内容，分析一下到底是咋回事？（自己独立思考一会）

现在，我们就分析上面的输出内容来简单分析一下线程池原理。

为了搞懂线程池的原理，我们需要首先分析一下 execute方法。 在 4.1 节中的 Demo 中我们使用 executor.execute(worker)来提交一个任务到线程池中去，这个方法非常重要，下面我们来看看它的源码：

   // 存放线程池的运行状态 (runState) 和线程池内有效线程的数量 (workerCount)
   private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

    private static int workerCountOf(int c) 
        return c & CAPACITY;
    
    //任务队列
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    public void execute(Runnable command) 
        // 如果任务为null，则抛出异常。
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        // ctl 中保存的线程池当前的一些状态信息
        int c = ctl.get();

        //  下面会涉及到 3 步 操作
        // 1.首先判断当前线程池中之行的任务数量是否小于 corePoolSize
        // 如果小于的话，通过addWorker(command, true)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) 
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        
        // 2.如果当前之行的任务数量大于等于 corePoolSize 的时候就会走到这里
        // 通过 isRunning 方法判断线程池状态，线程池处于 RUNNING 状态并且队列可以加入任务，该任务才会被加入进去
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) 
            int recheck = ctl.get();
            // 再次获取线程池状态，如果线程池状态不是 RUNNING 状态就需要从任务队列中移除任务，并尝试判断线程是否全部执行完毕。同时执行拒绝策略。
            if (!isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
                // 如果当前线程池为空就新创建一个线程并执行。
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        
        //3. 通过addWorker(command, false)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
        //如果addWorker(command, false)执行失败，则通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);

通过下图可以更好的对上面这 3 步做一个展示，下图是我为了省事直接从网上找到，原地址不明。

addWorker 这个方法主要用来创建新的工作线程，如果返回 true 说明创建和启动工作线程成功，否则的话返回的就是 false。

    // 全局锁，并发操作必备
    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
    // 跟踪线程池的最大大小，只有在持有全局锁mainLock的前提下才能访问此集合
    private int largestPoolSize;
    // 工作线程集合，存放线程池中所有的（活跃的）工作线程，只有在持有全局锁mainLock的前提下才能访问此集合
    private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();
    //获取线程池状态
    private static int runStateOf(int c)      return c & ~CAPACITY; 
    //判断线程池的状态是否为 Running
    private static boolean isRunning(int c) 
        return c < SHUTDOWN;
    


    /**
     * 添加新的工作线程到线程池
     * @param firstTask 要执行
     * @param core参数为true的话表示使用线程池的基本大小，为false使用线程池最大大小
     * @return 添加成功就返回true否则返回false
     */
   private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 
        retry:
        for (;;) 
            //这两句用来获取线程池的状态
            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 (;;) 
               //获取线程池中工作的线程的数量
                int wc = workerCountOf(c);
                // core参数为true的话表明队列也满了，线程池大小变为 maximumPoolSize
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
               //原子操作将workcount的数量加1
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                // 如果线程的状态改变了就再次执行上述操作
                c = ctl.get();
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            
        
        // 标记工作线程是否启动成功
        boolean workerStarted = false;
        // 标记工作线程是否创建成功
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try 

            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) 
              // 加锁
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try 
                   //获取线程池状态
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                   //rs < SHUTDOWN 如果线程池状态依然为RUNNING,并且线程的状态是存活的话，就会将工作线程添加到工作线程集合中
                  //(rs=SHUTDOWN && firstTask == null)如果线程池状态小于STOP，也就是RUNNING或者SHUTDOWN状态下，同时传入的任务实例firstTask为null，则需要添加到工作线程集合和启动新的Worker
                   // firstTask == null证明只新建线程而不执行任务
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) 
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                       //更新当前工作线程的最大容量
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                      // 工作线程是否启动成功
                        workerAdded = true;
                    
                 finally 
                    // 释放锁
                    mainLock.unlock();
                
                // 如果成功添加工作线程，则调用Worker内部的线程实例t的Thread#start()方法启动真实的线程实例
                if (workerAdded) 
                    t.start();
                  /// 标记线程启动成功
                    workerStarted = true;
                
            
         finally 
           // 线程启动失败，需要从工作线程中移除对应的Worker
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        
        return workerStarted;

更多关于线程池源码分析的内容推荐这篇文章：硬核干货：4W字从源码上分析JUC线程池ThreadPoolExecutor的实现原理open in new window

现在，让我们在回到 4.1 节我们写的 Demo，现在应该是不是很容易就可以搞懂它的原理了呢？

没搞懂的话，也没关系，可以看看我的分析：

我们在代码中模拟了 10 个任务，我们配置的核心线程数为 5 、等待队列容量为 100 ，所以每次只可能存在 5 个任务同时执行，剩下的 5 个任务会被放到等待队列中去。当前的 5 个任务中
以上是关于Java 线程池详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java线程池详解

Java线程池原理

Java面试：Java线程池七大参数详解

Java面试：Java线程池七大参数详解

java线程池详解一

Java—线程池ThreadPoolExecutor详解

Java 线程池详解

Java 线程池详解

一 使用线程池的好处

二 Executor 框架

2.1 简介

2.2 Executor 框架结构(主要由三大部分组成)

1) 任务(Runnable /Callable)

2) 任务的执行(Executor)

3) 异步计算的结果(Future)

2.3 Executor 框架的使用示意图

三 (重要)ThreadPoolExecutor 类简单介绍

3.1 ThreadPoolExecutor 类分析

3.2 推荐使用 ThreadPoolExecutor 构造函数创建线程池

四 ThreadPoolExecutor 使用+原理分析

4.1 示例代码:Runnable+ThreadPoolExecutor

4.2 线程池原理分析

一使用线程池的好处

1) 任务(`Runnable` /`Callable`)

2) 任务的执行(`Executor`)

3) 异步计算的结果(`Future`)

3.2 推荐使用 `ThreadPoolExecutor` 构造函数创建线程池

4.1 示例代码:`Runnable`+`ThreadPoolExecutor`