深入源码分析Java线程池的实现原理

怼烎@ 2022-05-08 01:18 284阅读 0赞

程序的运行，其本质上，是对系统资源（CPU、内存、磁盘、网络等等）的使用。如何高效的使用这些资源是我们编程优化演进的一个方向。今天说的线程池就是一种对CPU利用的优化手段。

网上有不少介绍如何使用线程池的文章，那我想说点什么呢？我希望通过学习线程池原理，明白所有**池化技术**的基本设计思路。遇到其他相似问题可以解决。

**池化技术**

前面提到一个名词——池化技术，那么到底什么是池化技术呢？

池化技术简单点来说，就是提前保存大量的资源，以备不时之需。在机器资源有限的情况下，使用池化技术可以大大的提高资源的利用率，提升性能等。

在编程领域，比较典型的池化技术有：

线程池、连接池、内存池、对象池等。

本文主要来介绍一下其中比较简单的线程池的实现原理，希望读者们可以举一反三，通过对线程池的理解，学习并掌握所有编程中池化技术的底层原理。

**创建一个线程**

在Java的并发编程中，线程是十分重要的，在Java中，创建一个线程比较简单：

public class App {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("线程运行中");
                }
            }).start();
        }
    }

我们通过创建一个线程对象，并且实现Runnable接口就可以实现一个简单的线程。可以利用上多核CPU。当一个任务结束，当前线程就接收。

但很多时候，我们不止会执行一个任务。**如果每次都是如此的创建线程->执行任务->销毁线程，会造成很大的性能开销。**

那能否一个线程创建后，执行完一个任务后，又去执行另一个任务，而不是销毁。这就是线程池。

**这也就是池化技术的思想，通过预先创建好多个线程，放在池中，这样可以在需要使用线程的时候直接获取，避免多次重复创建、销毁带来的开销。**

**线程池的简单使用**

以下代码，是在Java中创建线程池：

import java.util.concurrent.*;
    
    public class App {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                    new ArrayBlockingQueue<>(10));
    
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("abcdefg");
                }
            });
    
            executorService.shutdown();
        }
    }

Jdk提供给外部的接口也很简单。直接调用ThreadPoolExecutor构造一个就可以了，也可以通过Executors静态工厂构建，但一般不建议。

可以看到，开发者想要在代码中使用线程池还是比较简单的，这得益于Java给我们封装好的一系列API。但是，这些API的背后是什么呢，让我们来揭开这个迷雾，看清线程池的本质。

**线程池构造函数**

通常，一般构造函数会反映出这个工具或这个对象的数据存储结构。

![70][]

> 如果把线程池比作一个公司。公司会有正式员工处理正常业务，如果工作量大的话，会雇佣外包人员来工作。
> 
> 闲时就可以释放外包人员以减少公司管理开销。一个公司因为成本关系，雇佣的人员始终是有最大数。
> 
> 如果这时候还有任务处理不过来，就走需求池排任务。

*  acc : 获取调用上下文
 *  corePoolSize: 核心线程数量，可以类比正式员工数量，常驻线程数量。
 *  maximumPoolSize: 最大的线程数量，公司最多雇佣员工数量。常驻+临时线程数量。
 *  workQueue：多余任务等待队列，再多的人都处理不过来了，需要等着，在这个地方等。
 *  keepAliveTime：非核心线程空闲时间，就是外包人员等了多久，如果还没有活干，解雇了。
 *  threadFactory: 创建线程的工厂，在这个地方可以统一处理创建的线程的属性。每个公司对员工的要求不一样，恩，在这里设置员工的属性。
 *  handler：线程池拒绝策略，什么意思呢？就是当任务实在是太多，人也不够，需求池也排满了，还有任务咋办？默认是不处理，抛出异常告诉任务提交者，我这忙不过来了。

**添加一个任务**

接着，我们看一下线程池中比较重要的execute方法，该方法用于向线程池中添加一个任务。

![70 1][]  
核心模块用红框标记了。

*  第一个红框：workerCountOf方法根据ctl的低29位，得到线程池的当前线程数，如果线程数小于corePoolSize，则执行addWorker方法创建新的线程执行任务；
 *  第二个红框：判断线程池是否在运行，如果在，任务队列是否允许插入，插入成功再次验证线程池是否运行，如果不在运行，移除插入的任务，然后抛出拒绝策略。如果在运行，没有线程了，就启用一个线程。
 *  第三个红框：如果添加非核心线程失败，就直接拒绝了。

这里逻辑稍微有点复杂，画了个流程图仅供参考

![70 2][]

接下来，我们看看如何添加一个工作线程的？

**添加worker线程**

从方法execute的实现可以看出：addWorker主要负责创建新的线程并执行任务，代码如下（这里代码有点长，没关系，也是分块的，总共有5个关键的代码块）：

![70 3][]

*  第一个红框：做是否能够添加工作线程条件过滤：
    
     *  判断线程池的状态，如果线程池的状态值大于或等SHUTDOWN，则不处理提交的任务，直接返回；
 *  第二个红框：做自旋，更新创建线程数量：
    
     *  通过参数core判断当前需要创建的线程是否为核心线程，如果core为true，且当前线程数小于corePoolSize，则跳出循环，开始创建新的线程

> 有人或许会疑问 retry 是什么？这个是java中的goto语法。只能运用在break和continue后面。

接着看后面的代码：

![70 4][]

*  第一个红框：获取线程池主锁。
    
     *  线程池的工作线程通过Woker类实现，通过ReentrantLock锁保证线程安全。
 *  第二个红框：添加线程到workers中（线程池中）。
 *  第三个红框：启动新建的线程。

接下来，我们看看workers是什么。

![70 5][]  
一个hashSet。所以，线程池底层的存储结构其实就是一个HashSet。

**worker线程处理队列任务**

![70 6][]

*  第一个红框：是否是第一次执行任务，或者从队列中可以获取到任务。
 *  第二个红框：获取到任务后，执行任务开始前操作钩子。
 *  第三个红框：执行任务。
 *  第四个红框：执行任务后钩子。

这两个钩子（beforeExecute，afterExecute）允许我们自己继承线程池，做任务执行前后处理。

到这里，源代码分析到此为止。接下来做一下简单的总结。

**总结**

所谓线程池本质是一个hashSet。多余的任务会放在阻塞队列中。

只有当阻塞队列满了后，才会触发非核心线程的创建。所以非核心线程只是临时过来打杂的。直到空闲了，然后自己关闭了。

线程池提供了两个钩子（beforeExecute，afterExecute）给我们，我们继承线程池，在执行任务前后做一些事情。

线程池原理关键技术：锁（lock,cas）、阻塞队列、hashSet（资源池）

![70 7][]

最后希望对你理解线程池有帮助。最后，留一个思考题，为什么线程池的底层数据接口采用HashSet来实现？

键值对数据结构，线程安全，去重

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