一篇万字文章，带你彻底了解线程池

迈不过友情╰ 2023-09-24 18:30 138阅读 0赞

下面，我们开始今天的主题：**线程池**。线程池是面试中**必问**的八股文，我将涉及到到的问题分为3大类：

*  基础使用
    
     *  线程池是什么？为什么要使用线程池？
     *  Executor框架是什么？
     *  Java提供了哪些线程池？
 *  实现原理
    
     *  线程池的底层原理是如何实现的？
     *  创建线程池的参数有哪些？
     *  线程池中的线程是什么时间创建的?
 *  系统设计
    
     *  如何合理的设置线程池的大小？
     *  如果服务器宕机，怎么处理队列中的任务？

希望今天的内容能够帮你解答以上的问题。

**Tips**：

*  **本文使用Java 11源码进行分析；**
 *  文章会在源码中添加注释，关键内容会有单独的分析。

## 池化思想 ##

在你的编程生涯中，一定遇到过各种各样的“池”，如：数据库连接池，常量池，以及今天的**线程池**。无一例外，它们都是借助**池化思想**来管理计算机中的资源。

维基百科中是这样描述“[池化][Link 1]”的：

> In resource management, pooling is the grouping together of resources (assets, equipment, personnel, effort, etc.) for the purposes of maximizing advantage or minimizing risk to the users. The term is used in finance, computing and equipment management.

“池化”指的是将**资源汇聚到一起，以发挥优势或降低风险**。

接着来看维基百科中对“[池][Link 2]”的描述：

> In computer science, a pool is a collection of resources that are kept, in memory, ready to use, rather than the memory acquired on use and the memory released afterwards.A pool client requests a resource from the pool and performs desired operations on the returned resource. When the client finishes its use of the resource, it is returned to the pool rather than released and lost.

计算机科学中的“池”，是**内存中保存资源的集合，创建资源以备使用，停用时回收，而不是使用时创建，停用时丢弃。客户端从池中请求资源，并执行操作，当不再使用资源时，将资源归还到池中，而不是释放或丢弃**。

### 为什么要使用“池”？ ###

首先"池"是资源的集合，通过“池”可以**实现对资源的统一管理**；

其次，“池”内存放已经创建并初始化的资源，使用时直接从“池”内获取，跳过了创建及初始化的过程，**提高了响应速度**；

最后，资源使用完成后归还到“池”中，而非丢弃或销毁，**提高资源的利用率**。

## 线程池 ##

**池化思想的引入是为了解决资源管理中遇到的问题，而线程池正是借助池化思想实现的线程管理工具**。那么线程池可以帮助我们解决哪些实际的问题呢？

最直接的是**控制线程的创建**，不加以限制的创建线程会耗尽系统资源。不信的话你可以试试下面的代码：

public static void main(String[] args) {
      while (true) {
        new Thread(()-> {
        }).start();
      }
    }
    复制代码

**Tips**：卡顿警告~~

其次，线程的创建和销毁是需要时间的，**借助线程池可以有效的避免线程频繁的创建和销毁线程**，提高程的序响应速度。

**问题解答**：线程池是什么？为什么要使用线程池？

## Executor体系 ##

Java中提供了功能完善的Executor体系，用于实现线程池。先来了解下Executor体系中的核心成员间的关系：

![format_png][]

Executor体系的最顶层是`Executor`接口和`ExecutorService`接口，它们定义了Executor体系的核心功能。

### Executor接口 ###

`Executor`接口的注释：

> An object that executes submitted Runnable tasks. This interface provides a way of decoupling task submission from the mechanics of how each task will be run, including details of thread use, scheduling, etc. An Executor is normally used instead of explicitly creating threads.

`Executor`接口非常简单，只定义了`execute`方法，**主要目的是将`Runnable`任务与执行机制（线程，调度任务等）解耦，提供了执行`Runnable`任务的方法**。

public interface Executor {
      
      /**
       * Executes the given command at some time in the future.  The command
       * may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling
       * thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.
       */
      void execute(Runnable command);
    }
    复制代码

### ExecutorService接口 ###

`ExecutorService`接口继承了`Executor`接口，拓展了`Executor`接口的能力。`ExecutorService`接口的注释：

> An Executor that provides methods to manage termination and methods that can produce a Future for tracking progress of one or more asynchronous tasks.

`ExecutorService`接口关键方法的声明：

public interface ExecutorService extends Executor {
      
      /**
       * Initiates an orderly shutdown in which previously submitted
       * tasks are executed, but no new tasks will be accepted.
       * Invocation has no additional effect if already shut down.
       */
      void shutdown();
      
      /**
       * Attempts to stop all actively executing tasks, halts the
       * processing of waiting tasks, and returns a list of the tasks
       * that were awaiting execution.
       * This method does not wait for actively executing tasks to
       * terminate.  Use {@link #awaitTermination awaitTermination} to
       * do that.
       */
      List<Runnable> shutdownNow();
      
      boolean isShutdown();
      
      boolean isTerminated();
      
      /**
       * Blocks until all tasks have completed execution after a shutdown
       * request, or the timeout occurs, or the current thread is
       * interrupted, whichever happens first.
       */
      boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
      
      <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
      
      <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
      
      /**
       * Submits a Runnable task for execution and returns a Future
       * representing that task. The Future's {@code get} method will
       * return {@code null} upon <em>successful</em> completion.
       */
      Future<?> submit(Runnable task);
    }
    复制代码

对关键方法做一个说明：

*  继承自`Executor`接口：
    
     *  `execute`：执行`Runnable`任务；
 *  `ExecutorService`接口定义的方法：
    
     *  `submit`：执行`Runnable`或`Callable`任务，并返回`Future`；
     *  `shutdown`：允许已提交的任务执行完毕，但不接受新任务的关闭；
     *  `shutdownNow`：尝试关闭所有任务（正在/等待执行），并返回等待执行的任务。

**Tips**：其余方法建议阅读源码中的注释，**即便是提到的4个方法，也要阅读注释**。

**问题解答**：Executor框架是什么？

## ThreadPoolExecutor核心流程 ##

Executor体系中，大家最熟悉的一定是`ThreadPoolExecutor`实现了，也是我们能够实现自定义线程池的基础。接下来逐步分析`ThreadPoolExecutor`的实现原理。

### 构造线程池 ###

`ThreadPoolExecutor`提供了4个构造方法，我们来看参数最全的那个构造方法：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {
      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;
    }
    复制代码

`ThreadPoolExecutor`的构造方法提供了7个参数：

*  `int corePoolSize`：**线程池的核心线程数量**，创建线程的数量小于等于corePoolSize时，**会一直创建线程**；
 *  `int maximumPoolSize`：**线程池的最大线程数量**，当线程数量等于corePoolSize后且队列已满，允许继续创建(maximumPoolSize−corePoolSize)(maximumPoolSize-corePoolSize)(maximumPoolSize−corePoolSize)个线程；
 *  `long keepAliveTime`：**线程的最大空闲时间**，当创建了超出corePoolSize数量的线程后，这些线程在不执行任务时能够存活的时间，超出keepAliveTime后会被销毁；
 *  `TimeUnit unit`：`keepAliveTime`的单位；
 *  `BlockingQueue<Runnable> workQueue`：**阻塞队列**，用于保存等待执行的任务；
 *  `ThreadFactory threadFactory`：**线程工厂**，用于创建线程，默认使用`Executors.defaultThreadFactory()`。
 *  `RejectedExecutionHandler handler`：**拒绝策略**，当队列已满，且没有空闲的线程时，执行的拒绝任务的策略。

**Tips**：有些小伙伴会疑问，如果每次执行一个任务，执行完毕后再执行新任务，线程池依旧会创建corePoolSize个线程吗？答案是会的，后文解释。

**问题解答**：创建线程池的参数有哪些？

### 主控状态CTL与线程池状态 ###

`ThreadPoolExecutor`中定义了**主控状态CTL**和**线程池状态**：

/**
     * The main pool control state, ctl, is an atomic integer packing
     * two conceptual fields
     *   workerCount, indicating the effective number of threads
     *   runState,    indicating whether running, shutting down etc
     */
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 29
    private static final int COUNT_MASK = (1 << COUNT_BITS) - 1;// 0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
    
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;// 111 0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;// 000 0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;// 001 0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;// 010 0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;// 011 0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
    
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~COUNT_MASK; }
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & COUNT_MASK; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
    复制代码

CTL包含了两部分内容：**线程池状态（runState，源码中使用rs替代）和工作线程数（workCount，源码中使用wc替代）**。当看到位运算符和“MASK”一起出现时，就应该想到应用了位掩码技术。

主控状态CTL的默认值是`RUNNING | 0`即：1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000。**`runStateOf`方法返回低29位为0的CTL，与之对应的是线程池状态，`workerCountOf`方法则返回高3位为0的CTl，用低29位表示工作线程数量，所以线程池最多允许536870911个线程。**

**Tips**：

*  工作线程指的是已经创建的线程，并不一定在执行任务，后文解释；
 *  位运算的可以参考[编程技巧：“高端”的位运算][Link 3]；
 *  **Java中二进制使用补码**，注意原码，反码和补码间的转换。

线程池的状态

注释中对线程池的状态做出了详细的说明：

> **RUNNING**: Accept new tasks and process queued tasks
> 
> **SHUTDOWN**: Don't accept new tasks, but process queued tasks
> 
> **STOP**: Don't accept new tasks, don't process queued tasks, and interrupt in-progress tasks
> 
> **TIDYING**: All tasks have terminated, workerCount is zero, the thread transitioning to state TIDYING will run the terminated() hook method
> 
> **TERMINATED**: terminated() has completed

*  **RUNNING**：接收新任务，处理队列中的任务；
 *  **SHUTDOWN**：不接收新任务，处理队列中的任务；
 *  **STOP**：不接收新任务，不处理队列中的任务，中断正在执行的任务；
 *  **TIDYING**：所有任务已经执行完毕，并且工作线程为0，转换到TIDYING状态后将执行Hook方法`terminated()`；
 *  **TERMINATED**：`terminated()`方法执行完毕。

状态的转换

注释中也对线程池状态的转换做出了详细说明：

> **RUNNING -> SHUTDOWN** On invocation of shutdown()
> 
> **(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP** On invocation of shutdownNow()
> 
> **SHUTDOWN -> TIDYING** When both queue and pool are empty
> 
> **STOP -> TIDYING** When pool is empty
> 
> **TIDYING -> TERMINATED** When the terminated() hook method has completed

我们通过一张状态转换图来了解线程池状态之间的转换：

![format_png 1][]

结合源码，可以看到**线程池的状态从RUNNING到TERMINATED其数值是单调递增的**，换句话说线程池从“活着”到“死透”所对应的数值是逐步增大，所以可以使用数值间的比较去确定线程池处于哪一种状态。

### 使用线程池 ###

我们已经对`ThreadPoolExecutor`有了一个整体的认知，现在可以创建并使用线程池了：

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(6));
    
    threadPoolExecutor.submit(() -> {
      // 业务逻辑
    });
    复制代码

这里我使用最“简单”的构造方法，我们看到在线程池中提交任务使用的是`submit`方法，该方法在抽象类`AbstractExecutorService`中实现：

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
      public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
      }
      
      public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
      }
      
      public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
      }
    }
    复制代码

`submit`的重载方法之间只有参数列表的差别，实现逻辑是相同的，均是先封装`RunnableFuture`对象，再调用`ThreadPoolExecutor#execute`方法。

**问题解答**：`submit()`和`execute()`方法有什么区别？

### execute方法 ###

继承自`Executor`接口的`execute`方法是线程池的关键方法：

public void execute(Runnable command) {
      // 检测待执行任务
      if (command == null) {
        throw new NullPointerException();
      }
      
      // 获取主控状态CTL
      int c = ctl.get();
      
      // STEP 1: 当工作线程数量小于核心线程时，执行addWorker方法
      if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) {
          return;
        }
        c = ctl.get();
      }
      
      // 当工作线程数量大于核心线程数量时
      // STEP 2: 首先判断线程池是否处于运行状态，接着尝试添加到队列中
      if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 再次检查线程池状态
        int recheck = ctl.get();
        // 不再处于RUNNING，则从队列中删除当前任务，并执行拒绝策略
        if (!isRunning(recheck) && remove(command)) {
          reject(command);
        } else if (workerCountOf(recheck) == 0) {
          addWorker(null, false);
        }
      }
      
      // STEP 3: 无法添加到队列时，尝试执行addWorker
      else if (!addWorker(command, false))
        // addWorker执行失败，则执行拒绝策略
        reject(command);
    }
    复制代码

阅读`execute`方法的源码时需要知道一个前提，`addWorker`**方法会检查线程池状态和工作线程数量，并执行工作任务**。接着来看`execute`方法的3种执行情况：

*  **STEP 1**：线程池状态：**RUNNING**，工作线程数：**小于核心线程数**，此时执行`addWorker(command, true)`；
 *  **STEP 2**：线程池状态：**RUNNING**，工作线程数：**等于核心线程数**，队列：**未饱和**，添加到队列中；
 *  **STEP 3**：线程池状态：**RUNNING**，工作线程数：**等于核心线程数**，队列：**已饱和**，执行`addWorker(command, false)`。

需要重点关注STEP 1的部分，还记得**构造线程池**最后的问题吗？STEP 1便解释了为什么一个接一个的执行任务，依旧会创建出corePoolSize个线程。接着我们通过一张流程图展示`execute`方法的执行流程：

![format_png 2][]

流程图画得比较“复杂”，因为有些判断看似在一行中执行，实际上是借助了`&&`运算符短路的特性来决定是否执行，例如`isRunning(c) && workQueue.offer(command)`中，如果`isRunning(c) == false`则不会执行`workQueue.offer(command)`。

### addWorker方法 ###

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
    复制代码

返回值为布尔类型表示是否成功执行，参数列表中有两个参数：

*  `Runnable firstTask`，待执行任务；
 *  `boolean core`，true表示最多允许创建`corePoolSize`个线程，false表示使用最多允许创建`maximumPoolSize`个线程。

在分析`execute`方法的过程中，我们提前“剧透”了`addWorker`方法的功能：

*  **检查线程池状态和工作线程数量**
 *  **执行工作任务**

因此`addWorker`方法的源码部分我们分成两部分来看。

**Tips**：**再次强调本文使用Java 11源码进行分析**，在`addWorker`方法的实现上Java 11与Java 8存在差异。

检查线程池状态和工作线程数量

第一部分是线程池状态和工作线程数量检查的源码：

retry:
    // 获取主控状态CTL
    for (int c = ctl.get();;) {
      
      // 注释1
      // Java 11相对友好很多，减少了很多!的使用，看起来比较符合人的思维
      // 这部分判断可以分成两部分：
      //   1. 至少为SHUTDOWN状态
      //   2.条件3选1满足：
      //     2-1，至少为STOP状态
      //     2-2，firstTask不为空
      //     2-3，workQueue为空
      if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN) && (runStateAtLeast(c, STOP) || firstTask != null || workQueue.isEmpty())) {
        return false;
      }
      for (;;) {
        // core == true，保证工作线程数量小于核心线程数量
        // core == false，保证线程数量小于最大线程数量
        if (workerCountOf(c) >= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK)) {
          return false;
        }
        
        // 增加工作线程数量并退出
        if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) {
          break retry;
        }
        
        // 如果至少是SHUTDOWN状态，则重新执行
        c = ctl.get();
        if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)) {
          continue retry;
        }   
      }
    }
    复制代码

注释1的代码并不复杂，只是需要结合线程池在不同状态下的处理逻辑来分析：

*  当状态“至少”为SHUTDOWN时，什么情况不需要处理？
    
     *  添加新的任务（对应条件2-2）
     *  队列为空（对应条件2-3）
 *  当状态“至少”为STOP时，线程池应当立即停止，不接收，不处理。

**Tips**：线程池状态的部分说**线程池状态从RUNNING到TERMINATED是单调递增的，因此在Java 11的实现中才会出现**`runStateAtLeast`**方法。**

执行工作任务

第二部分是执行工作任务的源码：

boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
      // 创建Worker对象
      w = new Worker(firstTask);
      // 从worker对象中获取线程
      final Thread t = w.thread;
      if (t != null) {
        // 上锁
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
          int c = ctl.get();
          // 线程池状态检查
          // RUNNING状态，或者“小于”STOP状态（处理队列中的任务）
          if (isRunning(c) || (runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {
            // 线程状态检查
            if (t.getState() != Thread.State.NEW) {
              throw new IllegalThreadStateException();
            }
            // 将Worker对象添加到workers中
            workers.add(w);
            workerAdded = true;
            int s = workers.size();
            if (s > largestPoolSize) {
              // 记录线程池中出现过的最大线程数
              largestPoolSize = s;
            }
          }
        } finally {
          mainLock.unlock();
        }
        
        if (workerAdded) {
          // 启动线程
          t.start();
          workerStarted = true;
        }
      }
    } finally {
      if (! workerStarted) {
        // addWorker执行失败
        // addWorkerFailed中包含工作线程数减1的逻辑
        addWorkerFailed(w);
      }  
    }
    return workerStarted;
    复制代码

结合两部分代码，一个正向流程是这样的：

*  检查状态：检查是否允许创建`Worker`，如果允许执行`compareAndIncrementWorkerCount(c)`，CTL中工作线程数量+1；
 *  执行任务：创建`Worker`对象，通过`Worker`对象获取线程，添加到`workers`中，最后启动线程。

回过头看我们之前一直提到的工作线程，实际上是`Worker`对象，我们可以近似的将`Worker`对象和工作线程画上等号。

**问题解答**：线程池中的线程是什么时间创建的?

三调addWorker

`execute`方法中，有3种情况调用`addWorker`方法：

*  **STEP 1**：`addWorker(command, true)`
 *  **STEP 2**：`addWorker(null, false)`
 *  **STEP 3**：`addWorker(command, false)`

STEP 1和STEP 3很好理解，STEP 1最多允许创建corePoolSize个线程，STEP 3最多允许创建maximumPoolSize个线程。STEP 2就比较难理解了，传入了空任务然后调用`addWorker`方法。

什么情况下会执行到`addWorker(null, false)`？

*  第1个条件：workerCount≥corePoolSizeworkerCount \\geq corePoolSizeworkerCount≥corePoolSize。
 *  第2个条件：`isRunning(c) && workQueue.offer(command)`
 *  第3个条件：`workerCountOf(recheck) == 0`

处于RUNNING状态的条件不难理解，矛盾的是第1个条件和第3个条件。根据这两个条件可以得到：corePoolSize≤workCount=0corePoolSize \\leq workCount = 0corePoolSize≤workCount=0，也就是说**允许创建核心线程数为0的线程池**。

接着我们来看`addWorker(null, false)`做了什么？创建了`Worker`对象，添加到`workers`中，并调用了一次`Thread.start`，虽然没有任何待执行的任务。

为什么要创建一个`Worker`对象？别忘了，\*\*已经执行过`workQueue.offer(command)`了，需要保证线程池中至少有一个Worker，才能执行`workQueue`\*\*中的任务。

### “工具人”Worker ###

实际上`ThreadPoolExecutor`维护的工作线程就是`Worker`对象，我们来看`Worker`类的原码：

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
      
      final Thread thread;
      
      Runnable firstTask;
      
      volatile long completedTasks;
      
      Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1);
        this.firstTask = firstTask;
        // 通过默认线程工厂创建线程
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
      }
      
      public void run() {
        runWorker(this);
      }
    }
    复制代码

`Worker`继承自`AbstractQueuedSynchronizer`，并实现了`Runnable`接口。

我们重点关注构造方法，尤其是`this.thread = getThreadFactory().newThread(this)`，通过线程工厂创建线程，传入的`Runnable`接口是谁？

是`Worker`对象本身，也就是说如果有`worker.getThread().start()`，此时会执行`Worker.run`方法。

**Tips**：

*  `AbstractQueuedSynchronizer`就是大名鼎鼎的AQS，`Worker`借助AQS实现非重入独占锁，不过这部分不是今天的重点；
 *  `Woker`对象与自身的成员变量`thread`的关系可谓是水乳交融，好好梳理下，否则会很混乱。

### runWorker方法 ###

`runWorker`方法传入的是`Worker`对象本身，来看方法实现：

final void runWorker(Worker w) {
      // 注释1
      Thread wt = Thread.currentThread();
      // Worker对象中获取执行任务
      Runnable task = w.firstTask;
      // 将Worker对象中的任务置空
      w.firstTask = null;
      w.unlock();
      boolean completedAbruptly = true;
      try {
        // 注释2
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
          w.lock();
          // 线程池的部分状态要中断正在执行的任务
          if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) {
            wt.interrupt();
          }
          try {
            beforeExecute(wt, task);
            try {
              // 执行任务
              task.run();
              afterExecute(task, null);
            } catch (Throwable ex) {
              afterExecute(task, ex);
              throw ex;
            }
          } finally {
            task = null;
            w.completedTasks++;
            w.unlock();
          }
        }
        completedAbruptly = false;
      } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
      }
    }
    复制代码

大家可能会对注释1的部分比较迷惑，这个`Thread wt = Thread.currentThread()`是什么鬼？别急，我带你从头梳理一下。

以**使用线程池**中的代码为例，假设是首次执行，我们看主线程做了什么：

![format_png 3][]

刚才也说了，**`Worker`对象的线程在启动后执行`worker.run`，也即是在`runWorker`方法中`Thread.currentThread()`是`Worker`对象的线程，并非主线程。**

再来看注释2的部分，第一次进入循环时，执行的task是`Runnable task = w.firstTask`，即初次判断`task != null`，第二次进入循环时，task是通过`task = getTask()`获取的。

线程池中，除了当前`Worker`正在执行的任务，还有谁可以提供待执行任务？答案是**队列**，因此我们可以合理得猜测`getTask()`是获取队列中的任务。

### getTask方法 ###

private Runnable getTask() {
      // 上次从队列中获取任务是否超时
      boolean timedOut = false;
      for (;;) {
        // 线程池状态判断，某些状态下不需要处理队列中的任务
        int c = ctl.get();
        if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN) && (runStateAtLeast(c, STOP) || workQueue.isEmpty())) {
          decrementWorkerCount();
          return null;
        }
        
        int wc = workerCountOf(c);
        
        // allowCoreThreadTimeOut是否允许核心线程超时销毁，默认为false
        // 通过allowCoreThreadTimeOut方法设置
        // wc > corePoolSize为true表示启用了非核心线程
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
        
        // wc > maximumPoolSize，可能的情况是因为同时执行了setMaximumPoolSize方法
        // timed && timedOut为true时，表示上次获取任务超时，当前需要进行超时控制
        // wc > 1 || workQueue.isEmpty()，工作线程数量大于1或队列为空
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
          // 减少工作线程数量
          if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) {
            return null;
          }
          continue;
        }
        
        try {
          // 注释1
          // 从队列中获取待执行任务
          Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
          if (r != null) {
            return r;
          }
          timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
          timedOut = false;
        }
      }
    }
    复制代码

注释1的部分有两种获取任务的方式：

*  `workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)`，**获取队首元素，如果当前队列为空，则等待指定时间后返回null**；
 *  `workQueue.take()`，**获取队首元素，如果队列为空，则一直等待，直到有返回值。**

线程池只会在一种情况下使用`workQueue.take`，即**不允许核心线程超时销毁，同时线程池的工作线程数量小于核心线程数量**，结合`runWorker`方法的源码我们可以得知，此时**借助了阻塞队列的能力，保证`runsWoker`方法一直停留在`task = getTask()`上，直到`getTask()`返回响应的任务**。

而在选择使用`workQueue.poll`时存在两种情况：

*  允许核心线程超时销毁，即`allowCoreThreadTimeOut == true`；
 *  当前工作线程数大于核心线程数，即线程池已经创建足够数量的核心线程，并且队列已经饱和，开始创建非核心线程处理任务。

结合`runWorker`方法的源码我们可以知道，如果队列中的任务已经被消耗完毕，即`getTask()`返回null，则会跳出while循环，执行`processWorkerExit`方法。

### processWorkerExit方法 ###

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
      // runWorker执行失败的场景
      if (completedAbruptly) {
        decrementWorkerCount();
      }
      
      final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
      mainLock.lock();
      try {
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        // 从workers中删除Worker
        workers.remove(w);
      } finally {
        mainLock.unlock();
      }
      
      // 根据线程池状态判断是否结束线程池
      tryTerminate();
      
      int c = ctl.get();
      // STOP之下的状态，runWorker正常结束时completedAbruptly == false
      // 保证至少有1个worker，用于处理队列中的任务
      if (runStateLessThan(c, STOP)) {
        if (!completedAbruptly) {
          int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
          if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()) {
            min = 1;
          }
          if (workerCountOf(c) >= min){
            return;
          }
        }
        // runWorker异常退出时，即completedAbruptly == true
        // 或者是workers存活少于1个
        addWorker(null, false);
      }
    }
    复制代码

`processWorkerExit`方法做了3件事：

*  移除“多余”的`Worker`对象（允许销毁的核心线程或者非核心线程）；
 *  尝试修改线程池状态；
 *  保证在至少存活1个`Worker`对象。

**Tips**：我跳过了`tryTerminate()`方法的分析，对，是故意的~~

**问题解答**：线程池的底层原理是如何实现的？

### 销毁非核心线程 ###

设想一个场景：已经创建了足够数量的核心线程，并且队列已经饱和，仍然有任务提交时，会是怎样的执行流程？

线程池创建非核心线程处理任务，当非核心线程执行完毕后并不会立即销毁，而是和核心线程一起去处理队列中的任务。那么当所有的任务都处理完毕之后呢？

回到`runWorker`中，当所有任务执行完毕后再次进入循环，`getTask`中判断工作线程数大于和核心线程数，此时启用`workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)`，而`keepAliveTime`就是构建线程池时设定的线程最大空闲时间，当超过`keepAliveTime`后仍旧没有获得任务返回`null`，跳出`runWorker`的循环，执行`processWorkerExit`销毁非核心线程。

## ThreadPoolExecutor拾遗 ##

目前我们已经详细分析了线程池的执行流程，这里我会补充一些前文未涉及到的内容，因为是补充内容，所以涉及不会详细的解释源码。

### 预创建线程 ###

我们在提到线程池的优点时会特别强调一句，**池内保存了创建好的资源，使用时直接取出**，但线程池好像依旧是首次接到任务后才会创建资源啊？

实际上，线程池提供`prestartCoreThread`方法，用于预创建核心线程：

public boolean prestartCoreThread() {
      return workerCountOf(ctl.get()) < corePoolSize && addWorker(null, true);
    }
    复制代码

如果你的程序需要做出极致的优化，可以选择预创建核心线程。

### 关闭和立即关闭 ###

`ThreadPoolExecutor`提供了两个关闭的功能`shutdown`和`shutdownNow`：

public void shutdown() {
      final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
      mainLock.lock();
      try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        // 中断空闲线程
        interruptIdleWorkers();
        // ScheduledThreadPoolExecutor的hook
        onShutdown();
      } finally {
        mainLock.unlock();
      }
      tryTerminate();
    }
    
    public List<Runnable> shutdownNow() {
      List<Runnable> tasks;
      final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
      mainLock.lock();
      try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(STOP);
        // 中断所有线程
        interruptWorkers();
        tasks = drainQueue();
      } finally {
        mainLock.unlock();
      }
      tryTerminate();
      return tasks;
    }
    复制代码

两者的差别还是很明显的：

*  `shutdown`将线程池的状态改为SHUTDOWN，而`shutdownNow`则改为STOP；
 *  `shutdown`不返回队列中的任务，而`shutdownNow`返回队列中的任务，因为STOP状态不会再去执行队列的任务；
 *  `shutdown`中断空闲线程，而`shutdownNow`则是中断所有线程。

从实现效果上来看关闭`shutdown`会更“温和”一些，而立即关闭`shutdownNow`则更为“强烈”，仿佛语气中带着不容置疑。

### 拒绝策略 ###

线程池不会无条件的接收任务，有两种情况下它会拒绝任务：

*  核心线程已满，添加到队列后，线程池不再处于RUNNING状态，此时从队列删除任务，并执行拒绝策略；
 *  核心线程已满，队列已满，非核心线程已满，此时执行拒绝策略。

Java提供了`RejectedExecutionHandler`接口：

public interface RejectedExecutionHandler {
      
      void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
    }
    复制代码

因此，我们可以通过实现`RejectedExecutionHandler`接口，完成自定义拒绝策略。另外，Java中也提供了4种默认拒绝策略：

*  `AbortPolicy`：直接抛出异常；
 *  `CallerRunsPolicy`：提交任务的线程执行；
 *  `DiscardOldestPolicy`：丢弃队列中最先加入的线程；
 *  `DiscardPolicy`：直接丢弃，就是啥也不干。

源码非常简单，大家自行阅读即可。

## Java提供了哪些线程池 ##

如果不想自己定义线程池，Java也贴心的提供了4种内置线程池，默认线程池通过`Executors`获取。

Java的命名中，s后缀通常是对应工具类，通常提供大量静态方法，例如：`Collections`之于`Collection`。所以即便属于Executor体系中的一员，但却没办法在“族谱”上出现，打工人的悲惨命运。

### FixedThreadPool ###

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
      return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }
    
    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
      return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), threadFactory);
    }
    复制代码

固定大小线程池，核心线程数和最大线程数一样，看起来都还不错，主要的问题是通过无参构造器创建的`LinkedBlockingQueue`，它允许的最大长度是`Integer.MAX_VALUE`。

\*\*Tips：\*\*这也就是为什么《阿里巴巴Java开发手册》中不推荐的原因。

### CachedThreadPool ###

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
      return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
    }
    
    public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
      return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), threadFactory);
    }
    复制代码

可以说是“无限大”的线程池，接到任务就创建新线程，另外\*\*`SynchronousQueue`是非常特殊的队列，不存储数据，每个put操作对应一个take操作\*\*。我们来分析下实际可能发生的情况：

*  前提：大量并发涌入
 *  提交第一个任务，进入队列，判断核心线程数为0，执行`addWorker(null, false)`，对应`execute`的SETP 2；
 *  提交第二个任务，假设第一个任务未结束，第二个任务直接提交到队列中；
 *  提交第三个任务，假设第一个任务未结束，无法添加到队列中，执行`addWorker(command, false)`对应`execute`的SETP 3。

也就是说，只要提交的够快，就会无限创建线程。

### SingleThreadExecutor ###

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
      return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }
    
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
      return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), threadFactory));
    }
    复制代码

只有一个线程的线程池，问题也是在于`LinkedBlockingQueue`，可以“无限”的接收任务。

### ScheduledExecutor ###

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
      return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }
    
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
      return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }
    
    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
      return new DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
    }
    
    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
      return new DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
    }
    复制代码

用来执行定时任务，`DelegatedScheduledExecutorService`是对`ScheduledExecutorService`的包装。

在Executor体系的“族谱”中，是有体现到`ScheduledExecutorService`和`ScheduledThreadPoolExecutor`的，这部分留给大家自行分析了。

除了以上4种内置线程池外，Java还提供了内置的`ForkJoinPool`：

public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) {
      return new ForkJoinPool(parallelism, ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, true);
    }
    
    public static ExecutorService newWorkStealingPool() {
      return new ForkJoinPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors(), ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, true);
    }
    复制代码

这部分是Java 8之后提供的，我们暂时按下不表，放到后期关于Fork/Join框架中详细解释。

**问题解答**：Java提供了哪些线程池？

## 合理设置线程池 ##

通常我们在谈论合理设置线程池的时候，指的是设置线程池的`corePoolSize`和`maximumPoolSize`，合理的设置能够最大化的发挥线程池的能力。

我们先来看美团技术团队的调研结果：

![format_png 4][]

无论是哪种公式，都是基于理论得出的结果，但往往理论到工程还有很长得一段路要走。

按照我的经验，合理的设置线程池可以汇总成一句话：**根据理论公式预估初始设置，随后对核心业务进行压测调整线程池设置**。

Java也提供了动态调整线程池的能力：

public void setThreadFactory(ThreadFactory threadFactory);
    
    public void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler handler);
    
    public void setCorePoolSize(int corePoolSize);
    
    public void setMaximumPoolSize(int maximumPoolSize);
    
    public void setKeepAliveTime(long time, TimeUnit unit);
    复制代码

除了`workQueue`都能调整，本文不讨论线程池动态调整的实现。

**Tips**：

*  调研结果源自于《[Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践][Java]》；
 *  该篇文章中也详细的讨论了动态化线程池的思路，推荐阅读。

## 结语 ##

线程池的大部分内容就到这里结束了，希望大家够通过本篇文章解答绝大部分关于线程池的问题，带给大家一些帮助，如果有错误或者不同的想法，欢迎大家留言讨论。

[Link 1]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FPooling_%28resource_management%29
[Link 2]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FPool_%28computer_science%29
[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/adad1fe8986f1587b8b8e0b67346e58f.webp?x-oss-process=image/format,png
[Link 3]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%2FHrvDhWhMVRieDF5V8bFp0Q
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/cea73353ddf9f57031fc37c49c18d2e7.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3e402c3067f9412b914aa7caad4671e1.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4f112193292b7803244fe3a0c8dd2e5c.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d46d177c4bfb68cf370d09e907a3694f.webp?x-oss-process=image/format,png
[Java]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Ftech.meituan.com%2F2020%2F04%2F02%2Fjava-pooling-pratice-in-meituan.html