JUC并发编程基础（9）--线程池

线程池

线程池概述

线程池是一种基于池化思想管理线程的工具，经常出现在多线程服务器上，比如MySQL

池化，顾名思义，是为了最大化收益并最小化风险，而将资源统一在一起管理的一种思想。

由于存在许多的短时间任务，所以线程不断创建和销毁会有额外的代价，另外线程过多就会导致数量膨胀导致过分调度问题，而线程池就能够保证对内核的充分利用，还有一些其它的好处，例如：

• **降低资源消耗：**通过池化技术重复利用已经创建线程，降低线程创建和销毁的代价。
• **提高响应速度：**任务到达的时候，跳过了创建线程的步骤，可以立即执行。
• **提高了线程的可管理性：**线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

• 提供更多更强大的功能：线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。

并发环境下，系统不知道有多少任务需要执行（在任意时刻下），也不知道要给多少资源，就有了很多问题：

• 一直需要申请、销毁资源和调度资源，会带来可能非常巨大的消耗。
• 系统偏偏对这种一直申请资源的情况没有办法，可能会造成资源耗尽。
• 资源申请的多了，你这个线程来一点，那个来一点，就无法管理内部的资源分布，稳定性大大降低。

这时候就需要线程池了，在Java中的体现是ThreadPoolExecutor类。

线程池架构-总体设计

ThreadPoolExecutor类的继承关系为：

**顶层接口-Executor：**将任务提交和任务执行解耦，用户无需关注如何创建线程，如何调度，只需要提交任务的运行逻辑到Executor中即可。

**接口-ExecutorService：**增加了一些功能，概括为就是，为异步任务生成Future方法，并且提供了管控线程池的方法，比如停止啥的。

**抽象类-AbstractExecutorService：**上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。

**实现类-ThreadPoolExecutor：**实现最复杂的运行部分，ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期，另一方面同时管理线程和任务，使两者良好的结合从而执行并行任务。

ThreadPoolExecutor运行流程：

任务提交，判断是否立即执行或者拒绝任务，再或者让任务去缓冲队列呆着，就这三种状态。

执行任务的话就申请线程，当任务执行完之后，该线程就会继续获取新任务，当获取不到新任务时，线程回收。

线程池-生命周期管理

线程池的运行状态和池内线程数量，没有存在两个变量中，而是用一个32位Integer存储的，通过高3位保存运行状态，低29位保存线程数量，可以减少有改动的时候，需要对俩变量进行一直匹配，防止占用锁资源。线程池提供了很多方法去获取当前运行状态、个数，都是基于位运算的方法。

private static int runStateOf(int c)     {
     return c & ~CAPACITY; } //计算当前运行状态
private static int workerCountOf(int c)  {
     return c & CAPACITY; }  //计算当前线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) {
     return rs | wc; }   //通过状态和线程数生成ctl

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

//ctl就是保存运行状态和数量的变量，通过ctlof获取，存入该AtomicInteger类型变量

以上就是线程池的五种运行状态，生命周期转换如图所示：

线程池-任务执行机制

任务调度

1. 首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
2. 如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
3. 如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
4. 如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
5. 如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。

任务缓冲

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

具体有哪些阻塞队列，可见上述《阻塞队列》部分。

任务申请

任务的执行有两种可能：一种是任务直接由新创建的线程执行。另一种是线程从任务队列中获取任务然后执行，第一种情况仅出现在线程初始创建的时候，第二种是线程获取任务绝大多数的情况。

线程需要从任务缓存模块中不断地取任务执行，帮助线程从阻塞队列中获取任务，实现线程管理模块和任务管理模块之间的通信。这部分策略由getTask方法实现，其执行流程如下图所示：

任务拒绝

当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时，就需要拒绝掉该任务，采取任务拒绝策略，保护线程池。

可以通过实现RejectedExecutionHandler接口去自定义拒绝策略，也可以是用JDK提供的拒绝策略。

线程池-Worker线程管理

Worker线程

为了掌握线程的状态并维护线程的生命周期，设计了线程池内的工作线程Worker。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
    
    final Thread thread;//Worker持有的线程
    Runnable firstTask;//初始化的任务，可以为null
}

Worker这个工作线程，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。

Worker线程增加

增加线程是通过线程池中的addWorker方法，该方法的功能就是增加一个线程，该方法不考虑线程池是在哪个阶段增加的该线程，这个分配线程的策略是在上个步骤完成的，该步骤仅仅完成增加线程，并使它运行，最后返回是否成功这个结果。addWorker方法有两个参数：firstTask、core。firstTask参数用于指定新增的线程执行的第一个任务，该参数可以为空；core参数为true表示在新增线程时会判断当前活动线程数是否少于corePoolSize，false表示新增线程前需要判断当前活动线程数是否少于maximumPoolSize，其执行流程如下图所示：

worker线程回收

线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收，线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用，防止这部分线程被JVM回收，当线程池决定哪些线程需要回收时，只需要将其引用消除即可。

try {
    
  while (task != null || (task = getTask()) != null) {
    
    //执行任务
  }
} finally {
    
  processWorkerExit(w, completedAbruptly);//获取不到任务时，主动回收自己
}

worker执行任务

在Worker类中的run方法调用了runWorker方法来执行任务，runWorker方法的执行过程如下：

1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务。 2.getTask()方法从阻塞队列中取任务。 3.如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。 4.执行任务。 5.如果getTask结果为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法，销毁线程。

执行流程如下图所示：

参考：https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html