线程池 ThreadPoolExecutor 原理及源码笔记
前言
前面在学习 JUC 源码时，很多代码举例中都使用了线程池
ThreadPoolExecutor，并且在工作中也经常用到线程池，所以现在就一步一步看看，线程池的源码，了解其背后的核心原理。
介绍
什么是线程池
线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。
—— 维基百科
为什么要使用线程池
- 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
- 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
- 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，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。
如何使用线程池
线程池使用有很多种方式，不过按照《Java 开发手册》描述，尽量还是要使用 ThreadPoolExecutor 进行创建。
代码举例：
ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<>(1024),
new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
那创建线程池的这些构造参数有什么含义？线程池的运行原理是什么？下面则开始通过源码及作图一步一步的了解。
源码分析
参数介绍
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
/**
* ctx 为原子类型的变量, 有两个概念
* workerCount, 表示有效的线程数
* runState, 表示线程状态, 是否正在运行, 关闭等
*/
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 容量 2²⁹-1
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits 线程池的五中状态
// 即高3位为111, 接受新任务并处理排队任务
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 即高3位为000, 不接受新任务, 但处理排队任务
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 即高3位为001, 不接受新任务, 不处理排队任务, 并中断正在进行的任务
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 即高3位为010, 所有任务都已终止, 工作线程为0, 线程转换到状态TIDYING, 将运行terminate()钩子方法
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 即高3位为011, 标识terminate（）已经完成
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl 用来计算线程的方法
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; }
}
构造参数及含义
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
// 省略
}
参数说明：
- corePoolSize - 核心线程数，提交任务时，如果当前线程池的数量小于 corePoolSize，则创建新线程执行任务。
- maximumPoolSize - 最大线程数，如果阻塞队列已满，并且线程数小于 maximumPoolSize，则会创建新线程执行任务。
- keepAliveTime - 当线程数大于核心线程数时，且线程空闲，keepAliveTime 时间后会销毁线程。
- unit - keepAliveTime 的时间单位。
- workQueue - 阻塞队列，当线程数大于核心线程数时，用来保存任务。
- threadFactory - 线程创建的工厂。
- handler - 线程饱和策略。
线程池执行流程
execute 源码
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
public void execute(Runnable command) {
// 空则抛出异常
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 获取当前线程池的状态
int c = ctl.get();
// 计算工作线程数 并判断是否小于核心线程数
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// addWorker提交任务, 提交成功则结束
if (addWorker(command, true))
return;
// 提交失败再次获取当前状态
c = ctl.get();
}
// 判断线程状态, 并插入队列, 失败则移除
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 再次获取状态
int recheck = ctl.get();
// 如果状态不是RUNNING, 并移除失败
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
// 调用拒绝策略
reject(command);
// 如果工作线程为0 则调用 addWorker
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 提交任务失败 走拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
}
execute 方法流程和流程图画的相同，值得注意的是：
- 当前线程数小于核心线程数，则会创建新线程，这里
即使是核心线程数有空闲线程也会创建新线程！。 - 而核心线程里面的空闲线程会不断执行阻塞队列里面的任务。
- workQueue阻塞队列：
- ArrayBlockingQueue: 是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO(先进先出) 原则对元素进行排序。
- LinkedBlockingQueue: 一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按 FIFO(先进先出) 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
- SynchronousQueue: 一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作。否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
- PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列。
- 线程工厂：
// 默认工厂
ThreadFactory threadFactory = Executors.defaultThreadFactory();
// google guava工具提供
ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("demo-pool-%d").build();
一般创建工厂，是为了更好的排查问题，也建议使用工厂指定线程名字。
- handler线程拒绝策略：
当线程池达到最大线程数，并且队列满了，新的线程要采取的处理策略。
- AbortPolicy 拒绝新任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- CallerRunsPolicy 直接在调用程序的线程中运行。
- DiscardOldestPolicy 放弃最早的任务, 即队列最前面的任务。
- DiscardPolicy 丢弃，不处理。
addWorker 源码
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
/**
* 检查任务是否可以提交
*
*/
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 外层循环
for (;;) {
// 获取当前状态
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 检查线程池是否关闭
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
// 内层循环 CAS 增加线程个数
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 工作线程大于容量 或者大于 核心或最大线程数
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// CAS 线程数增加, 成功则调到外层循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 失败则再次获取线程状态
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 不相等则重新走外层循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 否则内层继续循环
}
}
/**
* 创建新worker 开始新线程
* 此时已经 CAS 成功了
*/
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 创建 Worker
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 加锁，防止多线程同时执行线程池的 execute
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 判断线程是否存活, 已存活抛出非法异常
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 添加任务
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 设置池最大大小, 并将 workerAdded设置为 true
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
// 解锁
mainLock.unlock();
}
// 添加成功 开始启动线程 并将 workerStarted 设置为 true
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 启动线程失败
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
/**
* 启动线程失败, 加锁
* 移除线程, 并减少线程总数
* 转换状态
*/
private void addWorkerFailed(Worker w) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
if (w != null)
workers.remove(w);
decrementWorkerCount();
tryTerminate();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
}
addWorker 代码比较长，主要分为两部分：
- 双重循环，使用 CAS 增加线程数。
- 创建工作线程 Worker ，并使用独占锁，将其添加到线程池，并启动。
总结
Q&A
Q: 线程池的原理及相关参数？
A: 主要参数为核心线程数、阻塞队列、最大线程数、拒绝策略。
Q: 线程池的线程是怎么回收的？
A: 线程被创建之后，如果 task == null 或者调用 getTask 获取任务为 null，则调用 processWorkerExit 对线程执行清理工作。
清理时只是从 HashSet<Worker> workers 中移除该 Worker，之后该线程会被 JVM 自动回收。
Q: 核心线程是不是就不可以回收了？
A: 核心线程数只会增加，而又没有回收，这时候假如线程池没有任务，就会一直维持核心线程。
当然也可以通过调用 allowCoreThreadTimeOut 方法，设置是否允许回收核心线程。
结束语
通过阅读 ThreadPoolExecutor 了解线程池的基本结构和原理，至于其他的更多扩展，文章篇幅有限，就需要小伙伴们自己阅读了。
