深入分析java線程池的實(shí)現(xiàn)原理

前言
線程是稀缺資源，如果被無限制的創(chuàng)建，不僅會(huì)消耗系統(tǒng)資源，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理的使用線程池對(duì)線程進(jìn)行統(tǒng)一分配、調(diào)優(yōu)和監(jiān)控，有以下好處：
1、降低資源消耗；
2、提高響應(yīng)速度；
3、提高線程的可管理性。
Java1.5中引入的Executor框架把任務(wù)的提交和執(zhí)行進(jìn)行解耦，只需要定義好任務(wù)，然后提交給線程池，而不用關(guān)心該任務(wù)是如何執(zhí)行、被哪個(gè)線程執(zhí)行，以及什么時(shí)候執(zhí)行。
demo

1、Executors.newFixedThreadPool(10)初始化一個(gè)包含10個(gè)線程的線程池executor；
2、通過executor.execute方法提交20個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)打印當(dāng)前的線程名；
3、負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)的線程的生命周期都由Executor框架進(jìn)行管理；
ThreadPoolExecutor
Executors是java線程池的工廠類，通過它可以快速初始化一個(gè)符合業(yè)務(wù)需求的線程池，如Executors.newFixedThreadPool方法可以生成一個(gè)擁有固定線程數(shù)的線程池。

其本質(zhì)是通過不同的參數(shù)初始化一個(gè)ThreadPoolExecutor對(duì)象，具體參數(shù)描述如下：
corePoolSize
線程池中的核心線程數(shù)，當(dāng)提交一個(gè)任務(wù)時(shí)，線程池創(chuàng)建一個(gè)新線程執(zhí)行任務(wù)，直到當(dāng)前線程數(shù)等于corePoolSize；如果當(dāng)前線程數(shù)為corePoolSize，繼續(xù)提交的任務(wù)被保存到阻塞隊(duì)列中，等待被執(zhí)行；如果執(zhí)行了線程池的prestartAllCoreThreads()方法，線程池會(huì)提前創(chuàng)建并啟動(dòng)所有核心線程。
maximumPoolSize
線程池中允許的最大線程數(shù)。如果當(dāng)前阻塞隊(duì)列滿了，且繼續(xù)提交任務(wù)，則創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)，前提是當(dāng)前線程數(shù)小于maximumPoolSize；
keepAliveTime
線程空閑時(shí)的存活時(shí)間，即當(dāng)線程沒有任務(wù)執(zhí)行時(shí)，繼續(xù)存活的時(shí)間；默認(rèn)情況下，該參數(shù)只在線程數(shù)大于corePoolSize時(shí)才有用；
unit
keepAliveTime的單位；
workQueue
用來保存等待被執(zhí)行的任務(wù)的阻塞隊(duì)列，且任務(wù)必須實(shí)現(xiàn)Runable接口，在JDK中提供了如下阻塞隊(duì)列：
1、ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的有界阻塞隊(duì)列，按FIFO排序任務(wù)；
2、LinkedBlockingQuene：基于鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列，按FIFO排序任務(wù)，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene；
3、SynchronousQuene：一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列，每個(gè)插入操作必須等到另一個(gè)線程調(diào)用移除操作，否則插入操作一直處于阻塞狀態(tài)，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene；
4、priorityBlockingQuene：具有優(yōu)先級(jí)的×××阻塞隊(duì)列；
threadFactory
創(chuàng)建線程的工廠，通過自定義的線程工廠可以給每個(gè)新建的線程設(shè)置一個(gè)具有識(shí)別度的線程名。

handler
線程池的飽和策略，當(dāng)阻塞隊(duì)列滿了，且沒有空閑的工作線程，如果繼續(xù)提交任務(wù)，必須采取一種策略處理該任務(wù)，線程池提供了4種策略：
1、AbortPolicy：直接拋出異常，默認(rèn)策略；
2、CallerRunsPolicy：用調(diào)用者所在的線程來執(zhí)行任務(wù)；
3、DiscardOldestPolicy：丟棄阻塞隊(duì)列中靠最前的任務(wù)，并執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)；
4、DiscardPolicy：直接丟棄任務(wù)；
當(dāng)然也可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)RejectedExecutionHandler接口，自定義飽和策略，如記錄日志或持久化存儲(chǔ)不能處理的任務(wù)。
Exectors
Exectors工廠類提供了線程池的初始化接口，主要有如下幾種：
newFixedThreadPool

初始化一個(gè)指定線程數(shù)的線程池，其中corePoolSize == maximumPoolSize，使用LinkedBlockingQuene作為阻塞隊(duì)列，不過當(dāng)線程池沒有可執(zhí)行任務(wù)時(shí)，也不會(huì)釋放線程。
newCachedThreadPool

1、初始化一個(gè)可以緩存線程的線程池，默認(rèn)緩存60s，線程池的線程數(shù)可達(dá)到Integer.MAX_VALUE，即2147483647，內(nèi)部使用SynchronousQueue作為阻塞隊(duì)列；
2、和newFixedThreadPool創(chuàng)建的線程池不同，newCachedThreadPool在沒有任務(wù)執(zhí)行時(shí)，當(dāng)線程的空閑時(shí)間超過keepAliveTime，會(huì)自動(dòng)釋放線程資源，當(dāng)提交新任務(wù)時(shí)，如果沒有空閑線程，則創(chuàng)建新線程執(zhí)行任務(wù)，會(huì)導(dǎo)致一定的系統(tǒng)開銷；
所以，使用該線程池時(shí)，一定要注意控制并發(fā)的任務(wù)數(shù)，否則創(chuàng)建大量的線程可能導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題。
newSingleThreadExecutor

初始化的線程池中只有一個(gè)線程，如果該線程異常結(jié)束，會(huì)重新創(chuàng)建一個(gè)新的線程繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，唯一的線程可以保證所提交任務(wù)的順序執(zhí)行，內(nèi)部使用LinkedBlockingQueue作為阻塞隊(duì)列。
newScheduledThreadPool

初始化的線程池可以在指定的時(shí)間內(nèi)周期性的執(zhí)行所提交的任務(wù)，在實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中可以使用該線程池定期的同步數(shù)據(jù)。
實(shí)現(xiàn)原理
除了newScheduledThreadPool的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)特殊一點(diǎn)之外，其它幾個(gè)線程池都是基于ThreadPoolExecutor類實(shí)現(xiàn)的。
線程池內(nèi)部狀態(tài)

其中AtomicInteger變量ctl的功能非常強(qiáng)大：利用低29位表示線程池中線程數(shù)，通過高3位表示線程池的運(yùn)行狀態(tài)：
1、RUNNING：-1 << COUNT_BITS，即高3位為111，該狀態(tài)的線程池會(huì)接收新任務(wù)，并處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)；
2、SHUTDOWN： 0 << COUNT_BITS，即高3位為000，該狀態(tài)的線程池不會(huì)接收新任務(wù)，但會(huì)處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)；
3、STOP ： 1 << COUNT_BITS，即高3位為001，該狀態(tài)的線程不會(huì)接收新任務(wù)，也不會(huì)處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)，而且會(huì)中斷正在運(yùn)行的任務(wù)；
4、TIDYING ： 2 << COUNT_BITS，即高3位為010；
5、TERMINATED： 3 << COUNT_BITS，即高3位為011；
任務(wù)提交
線程池框架提供了兩種方式提交任務(wù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求選擇不同的方式。
Executor.execute()

通過Executor.execute()方法提交的任務(wù)，必須實(shí)現(xiàn)Runnable接口，該方式提交的任務(wù)不能獲取返回值，因此無法判斷任務(wù)是否執(zhí)行成功。
ExecutorService.submit()

通過ExecutorService.submit()方法提交的任務(wù)，可以獲取任務(wù)執(zhí)行完的返回值。
任務(wù)執(zhí)行
當(dāng)向線程池中提交一個(gè)任務(wù)，線程池會(huì)如何處理該任務(wù)？
execute實(shí)現(xiàn)

具體的執(zhí)行流程如下：
1、workerCountOf方法根據(jù)ctl的低29位，得到線程池的當(dāng)前線程數(shù)，如果線程數(shù)小于corePoolSize，則執(zhí)行addWorker方法創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)；否則執(zhí)行步驟（2）；
2、如果線程池處于RUNNING狀態(tài)，且把提交的任務(wù)成功放入阻塞隊(duì)列中，則執(zhí)行步驟（3），否則執(zhí)行步驟（4）；
3、再次檢查線程池的狀態(tài)，如果線程池沒有RUNNING，且成功從阻塞隊(duì)列中刪除任務(wù)，則執(zhí)行reject方法處理任務(wù)；
4、執(zhí)行addWorker方法創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)，如果addWoker執(zhí)行失敗，則執(zhí)行reject方法處理任務(wù)；

addWorker實(shí)現(xiàn)
從方法execute的實(shí)現(xiàn)可以看出：addWorker主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建新的線程并執(zhí)行任務(wù)，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

這只是addWoker方法實(shí)現(xiàn)的前半部分：
1、判斷線程池的狀態(tài)，如果線程池的狀態(tài)值大于或等SHUTDOWN，則不處理提交的任務(wù)，直接返回；
2、通過參數(shù)core判斷當(dāng)前需要?jiǎng)?chuàng)建的線程是否為核心線程，如果core為true，且當(dāng)前線程數(shù)小于corePoolSize，則跳出循環(huán)，開始創(chuàng)建新的線程，具體實(shí)現(xiàn)如下：

線程池的工作線程通過Woker類實(shí)現(xiàn)，在ReentrantLock鎖的保證下，把Woker實(shí)例插入到HashSet后，并啟動(dòng)Woker中的線程，其中Worker類設(shè)計(jì)如下：
1、繼承了AQS類，可以方便的實(shí)現(xiàn)工作線程的中止操作；
2、實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，可以將自身作為一個(gè)任務(wù)在工作線程中執(zhí)行；
3、當(dāng)前提交的任務(wù)firstTask作為參數(shù)傳入Worker的構(gòu)造方法；

從Woker類的構(gòu)造方法實(shí)現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：線程工廠在創(chuàng)建線程thread時(shí)，將Woker實(shí)例本身this作為參數(shù)傳入，當(dāng)執(zhí)行start方法啟動(dòng)線程thread時(shí)，本質(zhì)是執(zhí)行了Worker的runWorker方法。
runWorker實(shí)現(xiàn)

runWorker方法是線程池的核心：
1、線程啟動(dòng)之后，通過unlock方法釋放鎖，設(shè)置AQS的state為0，表示運(yùn)行中斷；
2、獲取第一個(gè)任務(wù)firstTask，執(zhí)行任務(wù)的run方法，不過在執(zhí)行任務(wù)之前，會(huì)進(jìn)行加鎖操作，任務(wù)執(zhí)行完會(huì)釋放鎖；
3、在執(zhí)行任務(wù)的前后，可以根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景自定義beforeExecute和afterExecute方法；
4、firstTask執(zhí)行完成之后，通過getTask方法從阻塞隊(duì)列中獲取等待的任務(wù)，如果隊(duì)列中沒有任務(wù)，getTask方法會(huì)被阻塞并掛起，不會(huì)占用cpu資源；
getTask實(shí)現(xiàn)

整個(gè)getTask操作在自旋下完成：
1、workQueue.take：如果阻塞隊(duì)列為空，當(dāng)前線程會(huì)被掛起等待；當(dāng)隊(duì)列中有任務(wù)加入時(shí)，線程被喚醒，take方法返回任務(wù)，并執(zhí)行；
2、workQueue.poll：如果在keepAliveTime時(shí)間內(nèi)，阻塞隊(duì)列還是沒有任務(wù)，則返回null；
所以，線程池中實(shí)現(xiàn)的線程可以一直執(zhí)行由用戶提交的任務(wù)。
Future和Callable實(shí)現(xiàn)
通過ExecutorService.submit()方法提交的任務(wù)，可以獲取任務(wù)執(zhí)行完的返回值。

在實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，F(xiàn)uture和Callable基本是成對(duì)出現(xiàn)的，Callable負(fù)責(zé)產(chǎn)生結(jié)果，F(xiàn)uture負(fù)責(zé)獲取結(jié)果。
1、Callable接口類似于Runnable，只是Runnable沒有返回值。
2、Callable任務(wù)除了返回正常結(jié)果之外，如果發(fā)生異常，該異常也會(huì)被返回，即Future可以拿到異步執(zhí)行任務(wù)各種結(jié)果；
3、Future.get方法會(huì)導(dǎo)致主線程阻塞，直到Callable任務(wù)執(zhí)行完成；
submit實(shí)現(xiàn)

通過submit方法提交的Callable任務(wù)會(huì)被封裝成了一個(gè)FutureTask對(duì)象。
FutureTask

1、FutureTask在不同階段擁有不同的狀態(tài)state，初始化為NEW；
2、FutureTask類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，這樣就可以通過Executor.execute方法提交FutureTask到線程池中等待被執(zhí)行，最終執(zhí)行的是FutureTask的run方法；
FutureTask.get實(shí)現(xiàn)

內(nèi)部通過awaitDone方法對(duì)主線程進(jìn)行阻塞，具體實(shí)現(xiàn)如下：

1、如果主線程被中斷，則拋出中斷異常；
2、判斷FutureTask當(dāng)前的state，如果大于COMPLETING，說明任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成，則直接返回；
3、如果當(dāng)前state等于COMPLETING，說明任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完，這時(shí)主線程只需通過yield方法讓出cpu資源，等待state變成NORMAL；
4、通過WaitNode類封裝當(dāng)前線程，并通過UNSAFE添加到waiters鏈表；
5、最終通過LockSupport的park或parkNanos掛起線程；
FutureTask.run實(shí)現(xiàn)

FutureTask.run方法是在線程池中被執(zhí)行的，而非主線程
1、通過執(zhí)行Callable任務(wù)的call方法；
2、如果call執(zhí)行成功，則通過set方法保存結(jié)果；
3、如果call執(zhí)行有異常，則通過setException保存異常；
set

setException

set和setException方法中，都會(huì)通過UnSAFE修改FutureTask的狀態(tài)，并執(zhí)行finishCompletion方法通知主線程任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成；
finishCompletion

1、執(zhí)行FutureTask類的get方法時(shí)，會(huì)把主線程封裝成WaitNode節(jié)點(diǎn)并保存在waiters鏈表中；
2、FutureTask任務(wù)執(zhí)行完成后，通過UNSAFE設(shè)置waiters的值，并通過LockSupport類unpark方法喚醒主線程；

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