线程池原理解析

最新推荐文章于 2025-06-04 10:45:10 发布

原创最新推荐文章于 2025-06-04 10:45:10 发布 · 154 阅读

0 ·

CC 4.0 BY-SA版权

学习笔记专栏收录该内容

41 篇文章

订阅专栏

为什么要创建线程池？

项目中经常创建，启动销毁线程是非常耗时的，使用线程池去进行管理，提高程序效率。

什么是线程池？

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

java使用线程池核心走ThreadPoolExecutor类，提供了4种构造方法：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                            int maximumPoolSize,
                            long keepAliveTime,
                            TimeUnit unit,
                            BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                            RejectedExecutionHandler handler) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
            Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

ThreadPoolExecutor构造函数参数：

corePoolSize：核心池的大小。当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize 后，就会把到达的任务放到缓存队列当中
maximumPoolSize：线程池最大线程数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；

threadFactory：线程工厂，用于创建线程
keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。
unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性

workQueue：阻塞队列，用于存储等待执行的任务，并且只能存储调用execute 方法提交的任务。

常用队列：SynchronousQueue，LinkedBlockingDeque，ArrayBlockingQueue，DelayQueue和 PriorityBlockingQueue）

handler：拒绝策略，当任务太多来不及处理时所采用的处理策略。（4种类型）

线程池的工作队列：

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue（有界队列）是一个用数组实现的有界阻塞队列，按FIFO排序（先进先出）量。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue（可设置容量队列）基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，容量可以选择进行设置，不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene； newFixedThreadPool线程池使用了这个无界的阻塞队列，如果线程获取一个任务后，任务的执行时间比较长(比如设置10秒)，会导致队列的任务越积越多，导致机器内存使用不停飙升，最终导致OOM。

DelayQueue

DelayQueue（延迟队列）是一个任务定时周期的延迟执行的队列。根据指定的执行时间从小到大排序，否则根据插入到队列的先后排序。newScheduledThreadPool线程池使用了这个队列。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue（优先级队列）是具有优先级的无界阻塞队列；

SynchronousQueue

SynchronousQueue（同步队列）一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene，newCachedThreadPool线程池使用了这个队列。

使用线程池使用方式？

Executor分装了4种创建方式（都是ThreadPoolExecutor的构造函数）：

newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。底层中核心池大小为0，线程池最大线程数无限制，但是会对线程做复用，也就是回收线程，重复使用。

线程池特点：

核心线程数为0

最大线程数为Integer.MAX_VALUE

阻塞队列是SynchronousQueue

非核心线程空闲存活时间为60秒

newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。它的核心池大小与最大线程数相等，重复使用创建的定长线程池，例如，定义线程池长度为3就只有这3个线程，不停地重复利用这3个，当当前线程池中线程数超出3个的话会进入阻塞队列进行等待

线程池特点：

核心线程数和最大线程数大小一样

没有所谓的非空闲时间，即keepAliveTime为0

阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。

线程池特点

最大线程数为Integer.MAX_VALUE

阻塞队列是DelayedWorkQueue

keepAliveTime为0

scheduleAtFixedRate() ：按某种速率周期执行

scheduleWithFixedDelay()：在某个延迟后执行

newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。底层中核心池大小，线程池最大线程数都等于1,这个线程池可以在线程死后（或发生异常时）重新启动一个线程来替代原来的线程继续执行下去！

线程池特点

核心线程数为1

最大线程数也为1

阻塞队列是LinkedBlockingQueue

keepAliveTime为0

ThreadPoolExecutor类中成员变量：

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;

// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

ctl：控制线程运行状态的一个字段。同时，根据下面的几个方法runStateOf，workerCountOf，ctlOf可以看出，该字段还包含了两部分的信息：线程池的运行状态 (runState) 和线程池内有效线程的数量 (workerCount)，并且使用的是Integer类型，高3位保存runState，低29位保存workerCount。

COUNT_BITS：值为29的常量，在字段CAPACITY被引用计算。

CAPACITY：表示有效线程数量(workerCount)的上限，大小为 (1<<29) - 1。

下面5个变量表示的是线程的运行状态，分别是：

RUNNING ：接受新提交的任务，并且能处理阻塞队列中的任务；
SHUTDOWN：不接受新的任务，但会执行队列中的任务。
STOP：不接受新任务，也不处理队列中的任务，同时中断正在处理任务的线程。
TIDYING：如果所有的任务都已终止了，workerCount (有效线程数) 为0，线程池进入该状态后会调用 terminated() 方法进入TERMINATED 状态。
TERMINATED：terminated( ) 方法执行完毕。

线程池合理配置---CPU密集，IO密集。

CPU密集型时，任务可以少配置线程数，大概和机器的cpu核数相当，这样可以使得每个线程都在执行任务（FixedThreadPool 适用于处理CPU密集型的任务，确保CPU在长期被工作线程使用的情况下，尽可能的少的分配线程，即适用执行长期的任务）

IO密集型时，大部分线程都阻塞，故需要多配置线程数，2*cpu核数

四种拒绝策略

AbortPolicy(抛出一个异常，默认的)

DiscardPolicy(直接丢弃任务)

DiscardOldestPolicy（丢弃队列里最老的任务，将当前这个任务继续提交给线程池）

CallerRunsPolicy（交给线程池调用所在的线程进行处理)

提交一个任务到线程池中，线程池的处理流程如下：

提交一个任务，线程池里存活的核心线程数小于线程数corePoolSize时，线程池会创建一个核心线程去处理提交的任务。
如果线程池核心线程数已满，即线程数已经等于corePoolSize，一个新提交的任务，会被放进任务队列workQueue排队等待执行。
当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了,并且任务队列workQueue也满，判断线程数是否达到maximumPoolSize，即最大线程数是否已满，如果没到达，创建一个非核心线程执行提交的任务。
如果当前的线程数达到了maximumPoolSize，还有新的任务过来的话，直接采用拒绝策略处理。

线程池原理图：

线程池处理异常（4种）：

第三种：为工作者线程设置UncaughtExceptionHandler，在uncaughtException方法中处理异常的方式：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1, r -> {
            Thread t = new Thread(r);
            t.setUncaughtExceptionHandler(
                    (t1, e) -> {
                        System.out.println(t1.getName() + "线程抛出的异常"+e);
                    });
            return t;
           });
        threadPool.execute(()->{
            Object object = null;
            System.out.print("result## " + object.toString());
        });

第四种：重写ThreadPoolExecutor的afterExecute方法，处理传递的异常引用

class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    // 这可是jdk文档里面给的例子。。
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        super.afterExecute(r, t);
        if (t == null && r instanceof Future<?>) {
            try {
                Object result = ((Future<?>) r).get();
            } catch (CancellationException ce) {
                t = ce;
            } catch (ExecutionException ee) {
                t = ee.getCause();
            } catch (InterruptedException ie) {
                Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset
            }
        }
        if (t != null)
            System.out.println(t);
    }
}}