线程池的执行原理

柔光的暖阳◎ 2024-04-24 23:03 85阅读 0赞

线程池（ThreadPool）是一种基于池化技术的多线程管理机制，用于减少在创建和销毁线程上所花的开销和资源消耗。线程池中的线程可以循环利用，用于执行多个任务。

#### 线程池的工作原理 ####

线程池主要解决两个问题：首先，通过重复利用一系列已经创建好的线程，减少线程创建和销毁的性能开销；其次，通过对任务队列和线程的调度，可以细致地控制最大并发数，从而优化系统资源的使用和系统稳定性。

线程池的工作流程大致如下：

1.  **任务提交**：将执行任务提交到线程池。如果线程池中的线程少于核心线程数，则创建新的线程执行这个任务；如果线程数已达到核心线程数，任务会被加入到队列中等待执行。
2.  **任务排队**：如果队列也已满，且当前线程数小于最大线程数，则创建新的线程来处理被提交的任务；如果线程数已达到最大值，则根据饱和策略处理无法执行的任务。
3.  **任务执行**：线程从队列中取出任务并执行。
4.  **线程闲置**：在执行完任务后，线程不会立即销毁，而是可用于执行其他任务。
5.  **线程销毁**：如果线程超过一定时间（keepAliveTime）没有任务执行，且当前线程数大于核心线程数，则这个线程会被销毁，以节省资源。

#### Java 中的线程池 ####

在 Java 中，线程池是通过 `Executor` 框架实现的，具体来说是通过 `ExecutorService` 接口及其实现类，如 `ThreadPoolExecutor` 和 `ScheduledThreadPoolExecutor`。

下面是 `ThreadPoolExecutor` 的一部分源码，简化和注释以解释其核心部分：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
        
        // 线程池的主要状态，包含在一个原子变量中
        private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
        private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
        private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
        
        // 状态在高位，工作线程数在低位
        private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
        private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
        // ... 省略其他状态
        
        // 线程工厂
        private final ThreadFactory threadFactory;
        // 阻塞队列
        private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
        // 超时时间
        private final long keepAliveTime;
        // 线程池关闭的处理
        private final RejectedExecutionHandler handler;
        // 锁
        private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
        // ... 省略其他成员
    
        public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize,
                                  long keepAliveTime, TimeUnit unit,
                                  BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                                  ThreadFactory threadFactory,
                                  RejectedExecutionHandler handler) {
        
            // ... 初始化线程池
        }
        
        public void execute(Runnable command) {
        
            if (command == null)
                throw new NullPointerException();
            int c = ctl.get();
            // 如果工作线程数小于核心线程数，则尝试创建新线程执行任务
            if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        
                if (addWorker(command, true))
                    return;
                c = ctl.get();
            }
            // 如果线程池正在运行且任务能加到队列中，则完成任务提交
            if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        
                // 二次检查
                int recheck = ctl.get();
                if (!isRunning(recheck) && remove(command))
                    reject(command);
                else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                    addWorker(null, false);
            }
            // 如果无法提交任务，则尝试创建新线程执行任务，如果失败，则执行拒绝策略
            else if (!addWorker(command, false))
                reject(command);
        }
        
        // ... 省略其他方法
    }

这段代码虽然没有展示 `ThreadPoolExecutor` 的全部复杂性，但它揭示了一些核心组成部分：

*  `ctl`：这是一个 `AtomicInteger`，它打包了线程池的状态和线程数量信息。
 *  `workQueue`：一个阻塞队列，用于存储等待执行的任务。
 *  `keepAliveTime`：非核心线程空闲时的存活时长。
 *  `threadFactory`：用来创建新线程的工厂。
 *  `handler`：线程池饱和时的策略接口。

#### 示例代码 ####

演示如何使用 `ThreadPoolExecutor`：

import java.util.concurrent.*;
    
    public class ThreadPoolExample {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建线程池
            ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(
                2, // 核心线程数
                4, // 最大线程数
                100, // 保持存活时间
                TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
                new LinkedBlockingQueue<>(10), // 任务队列
                Executors.defaultThreadFactory(), // 线程工厂
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒绝策略
            );
    
            // 提交任务
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                int finalI = i;
                executor.execute(() -> {
        
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing task " + finalI);
                    // 模拟耗时操作
                    try {
        
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
        
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                });
            }
    
            // 关闭线程池
            executor.shutdown();
        }
    }

当你运行这个示例时，你会看到一个 `ThreadPoolExecutor` 是如何初始化和使用的。线程池首先尝试使用核心线程来执行任务，如果核心线程忙碌，则任务会被加入队列中。如果队列已满，线程池将创建新的线程（直到达到最大线程数）。如果线程数达到最大值并且队列也满了，新提交的任务将被拒绝处理。

线程池是并发编程中使用频率非常高的组件。了解其内部原理和适当的使用方法对于开发高效、稳定的并发应用至关重要。