你真的了解java线程池吗?

说道juc提供java线程池，想必大家都不陌生，在很多异步场景、任务调度都会使用到它，但是很多人并不太理解线程池的实现原理，就在昨天看到一个在学习线程池的同学遇到了一个问题，通过Executors类的newFixedThreadPool(int nThreads)方法创建了一个固定大小的线程池，最大worker工作线程数量是3，然后创建了一百个任务提交到线程池，运行之后却没有触发默认线程池饱和策略AbortPolicy？？？答案当然是肯定不会触发了，如果阅读过创建固定线程池的源码肯定就不会这么问了，话不多说，上干货。

合理使用java线程池的好处

第一：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。

第二：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。

第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，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分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

线程池的实现原理

当我们向线程池中commit一个任务之后，线程池是如何处理这个任务的呢？

线程池首先会判断核心线程池里的线程是否都在执行任务，如果不是，则创建一个新的工作线程。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新commit的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
线程池判断线程池里的线程是否都处于工作状态。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果线程池已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

图1 线程的主要处理流程

看完上面讲解的线程池处理commit任务的流程之后，相信你已经对线程池的设计有了新的认识和理解，那么接下来重点讲一下JUC里面ThreadPoolExecutor执行execute方法分下面4种情况：

如果当前线程池中运行的线程少于corePoolSize，那么创建新线程来执行任务（注意：执行这一步骤需要获取全局锁，保证线程安全）。
如果当前线程池中运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue任务队列（阻塞队列）。
如果线程池无法将任务加入BlockingQueue，此时队列已满，则需要创建新的线程来处理任务（注意：执行这一步骤需要获取全局锁，保证线程安全）。
如果当前运行的线程数超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，将会出发线程池饱和策略，调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

图2 ThreadPoolExecutor执行示意图

源码分析：上面的流程分析让我们很直观地了解了线程池的工作原理，接下再通过源代码来看看线程池是如何实现的，线程池执行任务的方法如下。

java

public void execute(Runnable command) { 
   if (command == null) throw new NullPointerException(); 
   // 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务 
   if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) { 
       // 如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。
       if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) { 
           if (runState != RUNNING || poolSize == 0) 
               ensureQueuedTaskHandled(command); 
            }
            // 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量， 
            // 则创建一个线程执行任务。
            else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command)) 
                // 抛出RejectedExecutionException异常 
                reject(command); // is shutdown or saturated 
  } 
}

线程池创建新线程时，会将线程封装成工作线程Worker，在执行完任务后，还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的run()方法里看到这点（线程池创建新线程执行任务时，会直接交给当前创建的线程处理。任务执行完之后，会反复从任务队列里面获取任务来执行）。

java

public void run() { 
   try {
       Runnable task = firstTask; firstTask = null; 
       while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
           runTask(task);
           task = null; 
      } 
  } finally { 
       workerDone(this); 
  } 
}

线程池饱和策略

当任务队列和线程池都满了，此时线程池处于饱和状态，那么我们必须采取一种策略处理提交的新任务。默认的线程池饱和策略是AbortPolicy，当无法处理新任务时会直接抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略：

AbortPolicy：线程池饱和后，提交任务时直接抛出异常。
CallerRunsPolicy：新提交的任务将在调用者所在线程来执行。
DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前提交的任务。
DiscardPolicy：新提交的任务不处理，直接丢弃。

可以根据实际场景来设置不同的饱和策略，不太重要的任务，可以使用默认线程池策略或者不处理。另外任务较多，并且任务处理时间较长，任务队列也会暂用过多内存，也要合理控制。

线程池构造参数详解

这里通过ThreadPoolExecutor的构造方法来手动创建线程池，如果我们想要合理的使用线程池，还是必须要对构造参数了解一下。

corePoolSize（核心线程池的大小）：当向线程池中commit一个任务到时，如果线程池中的线程数小于核心线程池的大小，线程池会创建一个新的线程来执行任务，即使其他的核心线程处于空闲状态，直到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池在创建的时候会提前创建并启动所有核心线程，称为“线程池预热”。
runnableTaskQueue（任务队列）：用来保存提交的等待执行的任务，该队列采用的是阻塞队列（生产者和消费者模式）。
ThreadFactory：用来设置创建线程的工厂，通过线程工厂可以给每个创建出来的线程设置名称，方便问题排查。线程工厂的创建推荐使用谷歌开源框架guava框架提供的ThreadFactoryBuilder类，可以快速创建线程工厂对象，示例如下；new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat(“XXXX-task-%d”).build();
keepAliveTime（线程活动保持时间）：指的是线程池的worker线程空闲后，保持存活的时间。如果任务相对较多，并且满足每个任务执行的时间较短，适当调大keepAlive时间，可以提高线程的利用率，不会频繁的创建和销毁线程。
PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。3）maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
线程池构任务队列可选类
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Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。

线程池关闭

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

更多关于线程池的文章，线程池的合理配置和线程池监控将在下一篇文章中讲解，敬请期待…
参考：《Java并发编程的艺术》