深入源码分析 Java 线程池的实现原理

程序的运行，其本质上，是对系统资源（CPU、内存、磁盘、网络等等）的使用。如何高效的使用这些资源是我们编程优化演进的一个方向。今天说的线程池就是一种对CPU利用的优化手段。

网上有不少介绍如何使用线程池的文章，那我想说点什么呢？我希望通过学习线程池原理，明白所有 池化技术 的基本设计思路。遇到其他相似问题可以解决。

池化技术

前面提到一个名词——池化技术，那么到底什么是池化技术呢？

池化技术简单点来说，就是提前保存大量的资源，以备不时之需。在机器资源有限的情况下，使用池化技术可以大大的提高资源的利用率，提升性能等。

在编程领域，比较典型的池化技术有：

线程池、 连接池、 内存池、对象池等。

本文主要来介绍一下其中比较简单的线程池的实现原理，希望读者们可以举一反三，通过对线程池的理解，学习并掌握所有编程中池化技术的底层原理。

创建一个线程

在Java的并发编程中，线程是十分重要的，在Java中，创建一个线程比较简单：

publicclassApp{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException{newThread(newRunnable() {@Overridepublicvoidrun(){ System.out.println("线程运行中"); } }).start(); }}

我们通过创建一个线程对象，并且实现Runnable接口就可以实现一个简单的线程。可以利用上多核CPU。当一个任务结束，当前线程就接收。

但很多时候，我们不止会执行一个任务。 如果每次都是如此的创建线程->执行任务->销毁线程，会造成很大的性能开销。

那能否一个线程创建后，执行完一个任务后，又去执行另一个任务，而不是销毁。这就是线程池。

这也就是池化技术的思想，通过预先创建好多个线程，放在池中，这样可以在需要使用线程的时候直接获取，避免多次重复创建、销毁带来的开销。

线程池的简单使用

以下代码，是在Java中创建线程池：

importjava.util.concurrent.*;publicclassApp{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException{ ExecutorService executorService =newThreadPoolExecutor(1,1,60L, TimeUnit.SECONDS,newArrayBlockingQueue<>(10)); executorService.execute(newRunnable() {@Overridepublicvoidrun(){ System.out.println("abcdefg"); } }); executorService.shutdown(); }}

Jdk提供给外部的接口也很简单。直接调用ThreadPoolExecutor构造一个就可以了，也可以通过Executors静态工厂构建，但一般不建议。

可以看到，开发者想要在代码中使用线程池还是比较简单的，这得益于Java给我们封装好的一系列API。但是，这些API的背后是什么呢，让我们来揭开这个迷雾，看清线程池的本质。

线程池构造函数

通常，一般构造函数会反映出这个工具或这个对象的数据存储结构。

如果把线程池比作一个公司。公司会有正式员工处理正常业务，如果工作量大的话，会雇佣外包人员来工作。

闲时就可以释放外包人员以减少公司管理开销。一个公司因为成本关系，雇佣的人员始终是有最大数。

如果这时候还有任务处理不过来，就走需求池排任务。

acc : 获取调用上下文

corePoolSize: 核心线程数量，可以类比正式员工数量，常驻线程数量。

maximumPoolSize: 最大的线程数量，公司最多雇佣员工数量。常驻+临时线程数量。

workQueue：多余任务等待队列，再多的人都处理不过来了，需要等着，在这个地方等。

keepAliveTime：非核心线程空闲时间，就是外包人员等了多久，如果还没有活干，解雇了。

threadFactory: 创建线程的工厂，在这个地方可以统一处理创建的线程的属性。每个公司对员工的要求不一样，恩，在这里设置员工的属性。

handler：线程池拒绝策略，什么意思呢？就是当任务实在是太多，人也不够，需求池也排满了，还有任务咋办？默认是不处理，抛出异常告诉任务提交者，我这忙不过来了。

添加一个任务

接着，我们看一下线程池中比较重要的execute方法，该方法用于向线程池中添加一个任务。

核心模块用红框标记了。

第一个红框： workerCountOf方法根据ctl的低29位，得到线程池的当前线程数，如果线程数小于corePoolSize，则执行addWorker方法创建新的线程执行任务；

第二个红框：判断线程池是否在运行，如果在，任务队列是否允许插入，插入成功再次验证线程池是否运行，如果不在运行，移除插入的任务，然后抛出拒绝策略。如果在运行，没有线程了，就启用一个线程。

第三个红框：如果添加非核心线程失败，就直接拒绝了。

这里逻辑稍微有点复杂，画了个流程图仅供参考

接下来，我们看看如何添加一个工作线程的？

添加worker线程

从方法execute的实现可以看出：addWorker主要负责创建新的线程并执行任务，代码如下（这里代码有点长，没关系，也是分块的，总共有5个关键的代码块）：

第一个红框：做是否能够添加工作线程条件过滤：

判断线程池的状态，如果线程池的状态值大于或等SHUTDOWN，则不处理提交的任务，直接返回；

第二个红框：做自旋，更新创建线程数量：

通过参数core判断当前需要创建的线程是否为核心线程，如果core为true，且当前线程数小于corePoolSize，则跳出循环，开始创建新的线程

有人或许会疑问 retry 是什么？这个是java中的goto语法。只能运用在break和continue后面。

接着看后面的代码：

第一个红框：获取线程池主锁。

线程池的工作线程通过Woker类实现，通过ReentrantLock锁保证线程安全。

第二个红框：添加线程到workers中（线程池中）。

第三个红框：启动新建的线程。

接下来，我们看看workers是什么。

一个hashSet。所以，线程池底层的存储结构其实就是一个HashSet。

worker线程处理队列任务

第一个红框：是否是第一次执行任务，或者从队列中可以获取到任务。

第二个红框：获取到任务后，执行任务开始前操作钩子。

第三个红框：执行任务。

第四个红框：执行任务后钩子。

这两个钩子（beforeExecute，afterExecute）允许我们自己继承线程池，做任务执行前后处理。

到这里，源代码分析到此为止。接下来做一下简单的总结。

总结

所谓线程池本质是一个hashSet。多余的任务会放在阻塞队列中。

只有当阻塞队列满了后，才会触发非核心线程的创建。所以非核心线程只是临时过来打杂的。直到空闲了，然后自己关闭了。

线程池提供了两个钩子（beforeExecute，afterExecute）给我们，我们继承线程池，在执行任务前后做一些事情。

线程池原理关键技术：锁（lock,cas）、阻塞队列、hashSet（资源池）

最后希望对你理解线程池有帮助。最后，留一个思考题，为什么线程池的底层数据接口采用HashSet来实现？

最后文末送波福利。现在加群即可获取Java工程化、高性能及分布式、高性能、高架构。性能调优、Spring，MyBatis，Netty源码分析和大数据等多个知识点高级进阶干货的直播免费学习权限及领取相关资料，群号：835638062 点击链接加入群聊【Java高级架构】：https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=5S3kL3v