图解Java线程池原理

什么是线程池？

为了避免频繁重复的创建和销毁线程，我们可以让这些线程进行复用，在线程池中，总会有活跃的线程在占用，但是线程池中也会存在没有占用的线程，这些线程处于空闲状态，当有任务的时候会从池子里面拿去一个线程来进行使用，当完成工作后，并没有销毁线程，而是将将线程放回到池子中去。

线程池主要解决两个问题：
一是当执行大量异步任务时线程池能够提供很好的性能。
二是线程池提供了一种资源限制和管理的手段，比如可以限制现成的个数，动态新增线程等。
​ -《Java并发编程之美》

上面内容出自《Java并发编程之美》这本书，第一个问题上面已经提到过，线程的频繁创建和销毁是很损耗性能的，但是线程池中的线程是可以复用的，可以较好的提升性能问题，线程池内部是采用了阻塞队列来维护Runnable对象。

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原理分析

JDK为我们封装了一套操作多线程的框架Executors，帮助我们可以更好的控制线程池，Executors下提供了一些线程池的工厂方法：

• newFixedThreadPool：返回固定长度的线程池，线程池中的线程数量是固定的。
• newCacheThreadPool：该方法返回一个根据实际情况来进行调整线程数量的线程池，空余线程存活时间是60s
• newSingleThreadExecutor：该方法返回一个只有一个线程的线程池。
• newSingleThreadScheduledExecutor：该方法返回一个SchemeExecutorService对象，线程池大小为1，SchemeExecutorService接口在ThreadPoolExecutor类和 ExecutorService接口之上的扩展，在给定时间执行某任务。
• newSchemeThreadPool：该方法返回一个SchemeExecutorService对象，可指定线程池线程数量。

对于核心的线程池来说，它内部都是使用了ThreadPoolExecutor对象来实现的，只不过内部参数信息不一样，我们先来看两个例子：nexFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor如下所示：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue(),threadFactory);
}public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue()));
}

由上面的线程池的创建过程可以看到它们都是ThreadPoolExecutor的封装，接下来我们来看一下ThreadPoolExecutor的参数说明：

其中workQueue代表的是提交但未执行的队列，它是BlockingQueue接口的对象，用于存放Runable对象，主要分为以下几种类型：

• 直接提交的队列：SynchronousQueue队列，它是一个没有容量的队列，前面我有对其进行讲解，当线程池进行入队offer操作的时候，本身是无容量的，所以直接返回false，并没有保存下来，而是直接提交给线程来进行执行，如果没有空余的线程则执行拒绝策略。

• 有界的任务队列：可以使用ArrayBlockingQueue队列，因为它内部是基于数组来进行实现的，初始化时必须指定容量参数，当使用有界任务队列时，当有任务进行提交时，线程池的线程数量小于corePoolSize则创建新的线程来执行任务，当线程池的线程数量大于corePoolSize的时候，则将提交的任务放入到队列中，当提交的任务塞满队列后，如果线程池的线程数量没有超过maximumPoolSize，则创建新的线程执行任务，如果超过了maximumPoolSize则执行拒绝策略。

• 无界的任务队列：可以使用LinkedBlockingQueue队列，它内部是基于链表的形式，默认队列的长度是Integer.MAX_VALUE，也可以指定队列的长度，当队列满时进行阻塞操作，当然线程池中采用的是offer方法并不会阻塞线程，当队列满时则返回false，入队成功则则返回true，当使用LinkedBlockingQueue队列时，有任务提交到线程池时，如果线程池的数量小于corePoolSize，线程池会产生新的线程来执行任务，当线程池的线程数量大于corePoolSize时，则将提交的任务放入到队列中，等待执行任务的线程执行完之后进行消费队列中的任务，若后续仍有新的任务提交，而没有空闲的线程时，它会不断往队列中入队提交的任务，直到资源耗尽。

• 优先任务队列：t有限任务队列是带有执行优先级的队列，他可以使用PriorityBlockingQueue队列，可以控制任务的执行先后顺序，它是一个无界队列，该队列可以根据任务自身的优先级顺序先后执行，在确保性能的同时，也能有很好的质量保证。

上面讲解了关于线程池内部都是通过ThreadPoolExecutor来进行实现的，那么下面我以一个例子来进行源码分析：

public class ThreadPoolDemo1 {public static void main(String[] args) {ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5,10,60L,TimeUnit.MILLISECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(5), new CustomThreadFactory());for (int i = 0; i < 15; i++) {executorService.execute(() -> {try {Thread.sleep(50000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("由线程：" + Thread.currentThread().getName() + "执行任务完成");});}}
}

上面定义了一个线程池，线程池初始化的corePoolSize为5，也就是线程池中线程的数量为5，最大线程maximumThreadPoolSize为10，空余的线程存活的时间是60s，使用LinkedBlockingQueue来作为阻塞队列，这里还发现我自定义了ThreadFactory线程池工厂，这里我真是针对线程创建的时候输出线程池的名称，源码如下所示：

/*** 自定义的线程池构造工厂*/
public class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);private final ThreadGroup group;private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);private final String namePrefix;public CustomThreadFactory() {SecurityManager s = System.getSecurityManager();group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :Thread.currentThread().getThreadGroup();namePrefix = "pool-" +poolNumber.getAndIncrement() +"-thread-";}@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {String name = namePrefix + threadNumber.getAndIncrement();Thread t = new Thread(group, r,name,0);System.out.println("线程池创建，线程名称为：" + name);if (t.isDaemon())t.setDaemon(false);if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);return t;}}

代码和DefaultThreadFactory一样，只是在newThread新建线程的动作的时候输出了线程池的名称，方便查看线程创建的时机，上面main方法中提交了15个任务，调用了execute方法来进行提交任务，在分析execute方法之前我们先了解一下线程的状态：

//假设Integer类型是32位的二进制表示。
//高3位代表线程池的状态，低29位代表的是线程池的数量
//默认是RUNNING状态，线程池的数量为0
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//线程个数位数，表示的Integer中除去最高的3位之后剩下的位数表示线程池的个数
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//线程池的线程的最大数量
//这里举例是32为机器，表示为00011111111111111111111111111111
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
//线程池的状态
// runState is stored in the high-order bits
//11100000000000000000000000000000
//接受新任务并且处理阻塞队列里面任务
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
//00000000000000000000000000000000
//拒绝新任务但是处理阻塞队列的任务
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
//0010000000000000000000000000

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