还不懂Java线程池实现原理，看这一篇文章就够了

柔情只为你懂 2023-09-23 13:58 160阅读 0赞

线程池无论是工作还是面试都是必备的技能，但是很多人对于线程池的实现原理却一知半解，并不了解线程池内部的工作原理，今天一灯就带大家一块剖析线程池底层实现原理。

## 1. 为什么要使用线程池 ##

**使用线程池通常由以下两个原因：**

1.  频繁创建销毁线程需要消耗系统资源，使用线程池可以复用线程。
2.  使用线程池可以更容易管理线程，线程池可以动态管理线程个数、具有阻塞队列、定时周期执行任务、环境隔离等。

## 2. 线程池的使用 ##

/**
     * @author 一灯架构
     * @apiNote 线程池示例
     **/
    public class ThreadPoolDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            // 1. 创建线程池
            ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                    3,
                    3,
                    0L,
                    TimeUnit.MILLISECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<>(),
                    Executors.defaultThreadFactory(),
                    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
          
            // 2. 往线程池中提交3个任务
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                threadPoolExecutor.execute(() -> {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 关注公众号：一灯架构");
                });
            }
          
            // 3. 关闭线程池
            threadPoolExecutor.shutdown();
        }
    }
    复制代码

输出结果：

pool-1-thread-2 关注公众号：一灯架构
    pool-1-thread-1 关注公众号：一灯架构
    pool-1-thread-3 关注公众号：一灯架构
    复制代码

线程池的使用非常简单：

1.  调用new ThreadPoolExecutor()构造方法，指定核心参数，创建线程池。
2.  调用execute()方法提交Runnable任务
3.  使用结束后，调用shutdown()方法，关闭线程池。

再看一下线程池构造方法中核心参数的作用。

## 3. 线程池核心参数 ##

**线程池共有七大核心参数：**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>参数名称</th> 
   <th>参数含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>int corePoolSize</td> 
   <td>核心线程数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int maximumPoolSize</td> 
   <td>最大线程数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long keepAliveTime</td> 
   <td>线程存活时间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TimeUnit unit</td> 
   <td>时间单位</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>BlockingQueue workQueue</td> 
   <td>阻塞队列</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ThreadFactory threadFactory</td> 
   <td>线程创建工厂</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RejectedExecutionHandler handler</td> 
   <td>拒绝策略</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  corePoolSize 核心线程数
    
    当往线程池中提交任务，会创建线程去处理任务，直到线程数达到corePoolSize，才会往阻塞队列中添加任务。默认情况下，空闲的核心线程并不会被回收，除非配置了allowCoreThreadTimeOut=true。
2.  maximumPoolSize 最大线程数
    
    当线程池中的线程数达到corePoolSize，阻塞队列又满了之后，才会继续创建线程，直到达到maximumPoolSize，另外空闲的非核心线程会被回收。
3.  keepAliveTime 线程存活时间
    
    非核心线程的空闲时间达到了keepAliveTime，将会被回收。
4.  TimeUnit 时间单位
    
    线程存活时间的单位，默认是TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒），可选择的有：
    
    > TimeUnit.NANOSECONDS（纳秒） TimeUnit.MICROSECONDS（微秒） TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒） TimeUnit.SECONDS（秒） TimeUnit.MINUTES（分钟） TimeUnit.HOURS（小时） TimeUnit.DAYS（天）
5.  workQueue 阻塞队列
    
    当线程池中的线程数达到corePoolSize，再提交的任务就会放到阻塞队列的等待，默认使用的是LinkedBlockingQueue，可选择的有：
    
    > LinkedBlockingQueue（基于链表实现的阻塞队列）
    > 
    > ArrayBlockingQueue（基于数组实现的阻塞队列）
    > 
    > SynchronousQueue（只有一个元素的阻塞队列）
    > 
    > PriorityBlockingQueue（实现了优先级的阻塞队列）
    > 
    > DelayQueue（实现了延迟功能的阻塞队列）
6.  threadFactory 线程创建工厂
    
    用来创建线程的工厂，默认的是Executors.defaultThreadFactory()，可选择的还有Executors.privilegedThreadFactory()实现了线程优先级。当然也可以自定义线程创建工厂，创建线程的时候最好指定线程名称，便于排查问题。
7.  RejectedExecutionHandler 拒绝策略
    
    当线程池中的线程数达到maximumPoolSize，阻塞队列也满了之后，再往线程池中提交任务，就会触发执行拒绝策略，默认的是AbortPolicy（直接终止，抛出异常），可选择的有：
    
    > AbortPolicy（直接终止，抛出异常）
    > 
    > DiscardPolicy（默默丢弃，不抛出异常）
    > 
    > DiscardOldestPolicy（丢弃队列中最旧的任务，执行当前任务）
    > 
    > CallerRunsPolicy（返回给调用者执行）

## 4. 线程池工作原理 ##

线程池的工作原理，简单理解如下：

![format_png][]

1.  当往线程池中提交任务的时候，会先判断线程池中线程数是否核心线程数，如果小于，会创建核心线程并执行任务。
2.  如果线程数大于核心线程数，会判断阻塞队列是否已满，如果没有满，会把任务添加到阻塞队列中等待调度执行。
3.  如果阻塞队列已满，会判断线程数是否小于最大线程数，如果小于，会继续创建最大线程数并执行任务。
4.  如果线程数大于最大线程数，会执行拒绝策略，然后结束。

## 5. 线程池源码剖析 ##

### 5.1 线程池的属性 ###

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    
        // 线程池的控制状态，Integer长度是32位，前3位用来存储线程池状态，后29位用来存储线程数量
        private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
        // 线程个数所占的位数
        private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
        // 线程池的最大容量，2^29-1，约5亿个线程
        private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
    
        // 独占锁，用来控制多线程下的并发操作
        private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
        // 工作线程的集合
        private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();
        // 等待条件，用来响应中断
        private final Condition termination = mainLock.newCondition();
        // 是否允许回收核心线程
        private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
        // 线程数的历史峰值
        private int largestPoolSize;
    
        /**
         * 以下是线程池的七大核心参数
         */
        private volatile int corePoolSize;
        private volatile int maximumPoolSize;
        private volatile long keepAliveTime;
        private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
        private volatile ThreadFactory threadFactory;
        private volatile RejectedExecutionHandler handler;
    
    }
    复制代码

线程池的控制状态**ctl**用来存储线程池状态和线程个数，前3位用来存储线程池状态，后29位用来存储线程数量。

设计者多聪明，用一个变量存储了两块内容。

### 5.2 线程池状态 ###

线程池共有5种状态：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态名称</th> 
   <th>状态含义</th> 
   <th>状态作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>RUNNING</td> 
   <td>运行中</td> 
   <td>线程池创建后默认状态，接收新任务，并处理阻塞队列中的任务。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SHUTDOWN</td> 
   <td>已关闭</td> 
   <td>调用shutdown方法后处于该状态，不再接收新任务，处理阻塞队列中任务。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>STOP</td> 
   <td>已停止</td> 
   <td>调用shutdownNow方法后处于该状态，不再新任务，并中断所有线程，丢弃阻塞队列中所有任务。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TIDYING</td> 
   <td>处理中</td> 
   <td>所有任务已完成，所有工作线程都已回收，等待调用terminated方法。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TERMINATED</td> 
   <td>已终止</td> 
   <td>调用terminated方法后处于该状态，线程池的最终状态。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![format_png 1][]

### 5.3 execute源码 ###

看一下往线程池中提交任务的源码，这是线程池的核心逻辑：

// 往线程池中提交任务
    public void execute(Runnable command) {
        // 1. 判断提交的任务是否为null
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
    
        int c = ctl.get();
        // 2. 判断线程数是否小于核心线程数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            // 3. 把任务包装成worker，添加到worker集合中
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 4. 判断如果线程数不小于corePoolSize，并且可以添加到阻塞队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            // 5. 重新检查线程池状态，如果线程池不是运行状态，就移除刚才添加的任务，并执行拒绝策略
            int recheck = ctl.get();
            if (!isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            // 6. 判断如果线程数是0，就创建非核心线程（任务是null，会从阻塞队列中拉取任务）
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 7. 如果添加阻塞队列失败，就创建一个Worker
        else if (!addWorker(command, false))
            // 8. 如果创建Worker失败说明已经达到最大线程数了，则执行拒绝策略
            reject(command);
    }
    复制代码

execute方法的逻辑也很简单，最终就是调用addWorker方法，把任务添加到worker集合中，再看一下addWorker方法的源码：

// 添加worker
    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (; ; ) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // 1. 检查是否允许提交任务
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                    !(rs == SHUTDOWN &&
                            firstTask == null &&
                            !workQueue.isEmpty()))
                return false;
            // 2. 使用死循环保证添加线程成功
            for (; ; ) {
                int wc = workerCountOf(c);
                // 3. 校验线程数是否超过容量限制
                if (wc >= CAPACITY ||
                        wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                // 4. 使用CAS修改线程数
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();
                // 5. 如果线程池状态变了，则从头再来
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
            }
        }
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            // 6. 把任务和新线程包装成一个worker
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                // 7. 加锁，控制并发
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    // 8. 再次校验线程池状态是否异常
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                            (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        // 9. 如果线程已经启动，就抛出异常
                        if (t.isAlive())
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        // 10. 添加到worker集合中
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        // 11. 记录线程数历史峰值
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    // 12. 启动线程
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (!workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }
    复制代码

方法虽然很长，但是逻辑很清晰。就是把任务和线程包装成worker，添加到worker集合，并启动线程。

### 5.4 worker源码 ###

再看一下worker类的结构：

private final class Worker
            extends AbstractQueuedSynchronizer
            implements Runnable {
        // 工作线程
        final Thread thread;
        // 任务
        Runnable firstTask;
    
        // 创建worker，并创建一个新线程（用来执行任务）
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1);
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
    }
    复制代码

### 5.5 runWorker源码 ###

再看一下run方法的源码：

// 线程执行入口
    public void run() {
        runWorker(this);
    }
    
    // 线程运行核心方法
    final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock();
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            // 1. 如果当前worker中任务是null，就从阻塞队列中获取任务
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                // 加锁，保证thread不被其他线程中断（除非线程池被中断）
                w.lock();
                // 2. 校验线程池状态，是否需要中断当前线程
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                        (Thread.interrupted() &&
                                runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                        !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        // 3. 执行run方法
                        task.run();
                    } catch (RuntimeException x) {
                        thrown = x;
                        throw x;
                    } catch (Error x) {
                        thrown = x;
                        throw x;
                    } catch (Throwable x) {
                        thrown = x;
                        throw new Error(x);
                    } finally {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    // 解锁
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            // 4. 从worker集合删除当前worker
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }
    复制代码

runWorker方法逻辑也很简单，就是不断从阻塞队列中拉取任务并执行。

再看一下从阻塞队列中拉取任务的逻辑：

// 从阻塞队列中拉取任务
    private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false;
        for (; ; ) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // 1. 如果线程池已经停了，或者阻塞队列是空，就回收当前线程
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            int wc = workerCountOf(c);
            // 2. 再次判断是否需要回收线程
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                    && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }
            try {
                // 3. 从阻塞队列中拉取任务
                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

## 6. 总结 ##

今天带大家一块详细剖析了Java线程池的实现原理，是不是非常简单？

几百行的方法虽然看着复杂，令人头疼，只要由浅入深的梳理清理业务逻辑，源码读起来也是小菜一碟。

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[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/84e7dfcac8e3c6c982681a0bdeea7f9b.webp?x-oss-process=image/format,png