Java 线程池原理分析
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,
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：
线程数量小于 corePoolSize，直接创建新线程处理新的任务
线程数量大于等于 corePoolSize，workQueue 未满，则缓存新任务
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
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：
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