1 线程池的好处

线程使应用能够更加充分合理地协调利用CPU、内存、网络、I/O等系统资源.

线程的创建需要开辟虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等线程私有的内存空间;在线程销毁时需要回收这些系统资源.频繁地创建和销毁线程会浪费大量的系统资源,增加并发编程风险.

在服务器负载过大的时候,如何让新的线程等待或者友好地拒绝服务?

这些都是线程自身无法解决的;

所以需要通过线程池协调多个线程,并实现类似主次线程隔离、定时执行、周期执行等任务.

线程池的作用包括:

●利用线程池管理并复用线程、控制最大并发数等●实现任务线程队列缓存策略和拒绝机制●实现某些与时间相关的功能如定时执行、周期执行等●隔离线程环境比如，交易服务和搜索服务在同一台服务器上,分别开启两个线程池,交易线程的资源消耗明显要大;因此,通过配置独立的线程池,将较慢的交易服务与搜索服务隔离开,避免各服务线程相互影响.

在开发中,合理地使用线程池能够带来3个好处

• 降低资源消耗 通过重复利用已创建的线程,降低创建和销毁线程造成的系统资源消耗
• 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
• 提高线程的可管理性 线程是稀缺资源,如果过多地创建,不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，导致使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

在了解线程池的基本作用后，我们学习一下线程池是如何创建线程的

2 创建线程池

首先从ThreadPoolExecutor构造方法讲起,学习如何自定义ThreadFactory和RejectedExecutionHandler;

并编写一个最简单的线程池示例.然后,通过分析ThreadPoolExecutor的execute和addWorker两个核心方法;学习如何把任务线程加入到线程池中运行.

• ThreadPoolExecutor 的构造方法如下

  

• 第1个参数: corePoolSize 表示常驻核心线程数

  如果等于0,则任务执行完之后,没有任何请求进入时销毁线程池的线程;
  如果大于0,即使本地任务执行完毕,核心线程也不会被销毁.
  这个值的设置非常关键;
  设置过大会浪费资源;
  设置过小会导致线程频繁地创建或销毁.

• 第2个参数: maximumPoolSize 表示线程池能够容纳同时执行的最大线程数

  从第1处来看,必须>=1.
  如果待执行的线程数大于此值,需要借助第5个参数的帮助,缓存在队列中.
  如果maximumPoolSize = corePoolSize,即是固定大小线程池.

• 第3个参数: keepAliveTime 表示线程池中的线程空闲时间

  当空闲时间达到keepAliveTime时,线程会被销毁,直到只剩下corePoolSize个线程;
  避免浪费内存和句柄资源.
  在默认情况下,当线程池的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才起作用.
  但是当ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut = true时,核心线程超时后也会被回收.

• 第4个参数: TimeUnit表示时间单位

  keepAliveTime的时间单位通常是TimeUnit.SECONDS.

• 第5个参数: workQueue 表示缓存队列

  当请求的线程数大于maximumPoolSize时,线程进入BlockingQueue.
  后续示例代码中使用的LinkedBlockingQueue是单向链表,使用锁来控制入队和出队的原子性;
  两个锁分别控制元素的添加和获取,是一个生产消费模型队列.

• 第6个参数: threadFactory 表示线程工厂

  它用来生产一组相同任务的线程;
  线程池的命名是通过给这个factory增加组名前缀来实现的.
  在虚拟机栈分析时,就可以知道线程任务是由哪个线程工厂产生的.

• 第7个参数: handler 表示执行拒绝策略的对象
  当超过第5个参数workQueue的任务缓存区上限的时候,就可以通过该策略处理请求,这是一种简单的限流保护.
  友好的拒绝策略可以是如下三种:
  (1 ) 保存到数据库进行削峰填谷;在空闲时再提取出来执行
  (2)转向某个提示页面
  (3)打印日志

2.1.1 corePoolSize(核心线程数量)

线程池中应该保持的主要线程的数量.即使线程处于空闲状态，除非设置了allowCoreThreadTimeOut这个参数,当提交一个任务到线程池时,若线程数量<corePoolSize,线程池会创建一个新线程放入works(一个HashSet)中执行任务,即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也还是会创建新线程

等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建,会尝试放入等待队列workQueue如果调用线程池的prestartAllCoreThreads(),线程池会提前创建并启动所有核心线程

2.1.2 maximumPoolSize（线程池最大线程数）

线程池允许创建的最大线程数

若队列满,并且已创建的线程数小于最大线程数,则线程池会再创建新的线程放入works中执行任务,CashedThreadPool的关键,固定线程数的线程池无效若使用了×××任务队列,这个参数就没什么效果

• workQueue
  存储待执行任务的阻塞队列，这些任务必须是Runnable的对象（如果是Callable对象，会在submit内部转换为Runnable对象）

• runnableTaskQueue(任务队列):用于保存等待执行的任务的阻塞队列.可以选择以下几个阻塞队列.

  • LinkedBlockingQueue:一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按FIFO排序元素,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue.静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列

  • SynchronousQueue: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Linked-BlockingQueue,静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列

  • ThreadFactory:用于设置创建线程的工厂,可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字.使用开源框架guava提供ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字,代码如下

new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

• RejectedExecutionHandler（拒绝策略）

  当队列和线程池都满,说明线程池饱和,必须采取一种策略处理提交的新任务
  策略默认AbortPolicy,表无法处理新任务时抛出异常
  在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略
  • AbortPolicy：丢弃任务，抛出 RejectedExecutionException
  • CallerRunsPolicy:只用调用者所在线程来运行任务,有反馈机制，使任务提交的速度变慢）。
  • DiscardOldestPolicy
    若没有发生shutdown,尝试丢弃队列里最近的一个任务,并执行当前任务, 丢弃任务缓存队列中最老的任务，并且尝试重新提交新的任务

  • DiscardPolicy:不处理,丢弃掉, 拒绝执行，不抛异常

    当然,也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略.如记录日志或持久化存储不能处理的任务

    /*** Invokes the rejected execution handler for the given command.* Package-protected for use by ScheduledThreadPoolExecutor.*/final void reject(Runnable command) {// 执行拒绝策略handler.rejectedExecution(command, this);}

    handler 构造线程池时候就传的参数，RejectedExecutionHandler的实例

    RejectedExecutionHandler 在 ThreadPoolExecutor 中有四个实现类可供我们直接使用，当然，也可以实现自己的策略，一般也没必要。

    //只要线程池没有被关闭，由提交任务的线程自己来执行这个任务public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {public CallerRunsPolicy() { }/** * Executes task r in the caller's thread, unless the executor * has been shut down, in which case the task is discarded. * * @param r the runnable task requested to be executed * @param e the executor attempting to execute this task */public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {    if (!e.isShutdown()) {        r.run();    }}}

  // 不管怎样，直接抛出 RejectedExecutionException 异常

  // 默认的策略，如果我们构造线程池的时候不传相应的 handler ，则指定使用这个
  public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {

  public AbortPolicy() { }/** * Always throws RejectedExecutionException. * * @param r the runnable task requested to be executed * @param e the executor attempting to execute this task * @throws RejectedExecutionException always */public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {    throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +                                         " rejected from " +                                         e.toString());}

  }

  // 不做任何处理，直接忽略掉这个任务

  public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
  /**
  • Creates a {@code DiscardPolicy}.

    */
    public DiscardPolicy() { }

    /**

  • Does nothing, which has the effect of discarding task r.
  • @param r the runnable task requested to be executed
  • @param e the executor attempting to execute this task
    */
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    }
    }

  // 若线程池未被关闭

  // 把队列队头的任务(也就是等待了最长时间的)直接扔掉，然后提交这个任务到等待队列中
  public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {

  public DiscardOldestPolicy() { }/** * Obtains and ignores the next task that the executor * would otherwise execute, if one is immediately available, * and then retries execution of task r, unless the executor * is shut down, in which case task r is instead discarded. * * @param r the runnable task requested to be executed * @param e the executor attempting to execute this task */public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {    if (!e.isShutdown()) {        e.getQueue().poll();        e.execute(r);    }}

  }

  - keepAliveTime（线程活动保持时间）线程没有任务执行时最多保持多久时间终止线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率

• TimeUnit（线程活动保持时间的单位）:指示第三个参数的时间单位；可选的单位有天（DAYS）、小时（HOURS）、分钟（MINUTES）、毫秒（MILLISECONDS）、微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）

从代码第2处来看，队列、线程工厂、拒绝处理服务都必须有实例对象;

但在实际编程中,很少有程序员对这三者进行实例化,而通过Executors这个线程池静态工厂提供默认实现;那么Exceutors与ThreadPoolExecutor是什么关系呢?

Executors工厂类

ExecutorService 的抽象类AbstractExecutorService提供了submit、invokeAll 等方法的实现;

但是核心方法Executor.execute()并没有在这里实现.因为所有的任务都在该方法执行,不同实现会带来不同的执行策略.

通过Executors的静态工厂方法可以创建三个线程池的包装对象

• ForkJoinPool、
• ThreadPoolExecutor
• ScheduledThreadPoolExecutor

● Executors.newWorkStealingPool

JDK8 引入,创建持有足够线程的线程池支持给定的并行度;并通过使用多个队列减少竞争;构造方法中把CPU数量设置为默认的并行度.返回ForkJoinPool ( JDK7引入)对象,它也是AbstractExecutorService 的子类

● Executors.newCachedThreadPool

maximumPoolSize 最大可以至Integer.MAX_VALUE,是高度可伸缩的线程池.若达到该上限,相信没有服务器能够继续工作,直接OOM.keepAliveTime 默认为60秒;工作线程处于空闲状态,则回收工作线程;如果任务数增加,再次创建出新线程处理任务.

● Executors.newScheduledThreadPool

线程数最大至Integer.MAX_ VALUE,与上述相同,存在OOM风险.ScheduledExecutorService接口的实现类,支持定时及周期性任务执行;相比Timer,ScheduledExecutorService 更安全,功能更强大.与newCachedThreadPool的区别是不回收工作线程.

● Executors.newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池,相当于单线程串行执行所有任务,保证按任务的提交顺序依次执行.

● Executors.newFixedThreadPool

输入的参数即是固定线程数;既是核心线程数也是最大线程数;不存在空闲线程,所以keepAliveTime等于0.其中使用了 LinkedBlockingQueue, 但是没有设置上限!!!,堆积过多任务!!!

下面介绍LinkedBlockingQueue的构造方法

使用这样的×××队列,如果瞬间请求非常大,会有OOM的风险;除newWorkStealingPool 外,其他四个创建方式都存在资源耗尽的风险.

不推荐使用其中的任何创建线程池的方法,因为都没有任何限制,存在安全隐患.

Executors中默认的线程工厂和拒绝策略过于简单,通常对用户不够友好.

线程工厂需要做创建前的准备工作,对线程池创建的线程必须明确标识,就像药品的生产批号一样,为线程本身指定有意义的名称和相应的序列号.拒绝策略应该考虑到业务场景,返回相应的提示或者友好地跳转.以下为简单的ThreadFactory 示例

上述示例包括线程工厂和任务执行体的定义;

通过newThread方法快速、统一地创建线程任务,强调线程一定要有特定意义的名称,方便出错时回溯.

• 单线程池：newSingleThreadExecutor()方法创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())。含义是池中保持一个线程，最多也只有一个线程，也就是说这个线程池是顺序执行任务的，多余的任务就在队列中排队。
• 固定线程池：newFixedThreadPool(nThreads)方法创建
  
  池中保持nThreads个线程，最多也只有nThreads个线程，多余的任务也在队列中排队。
  
  

线程数固定且线程不超时

• 缓存线程池：newCachedThreadPool()创建，五个参数分别是ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue())。
  含义是池中不保持固定数量的线程，随需创建，最多可以创建Integer.MAX_VALUE个线程（说一句，这个数量已经大大超过目前任何操作系统允许的线程数了），空闲的线程最多保持60秒，多余的任务在SynchronousQueue（所有阻塞、并发队列在后续文章中具体介绍）中等待。

为什么单线程池和固定线程池使用的任务阻塞队列是LinkedBlockingQueue()，而缓存线程池使用的是SynchronousQueue()呢？

因为单线程池和固定线程池中，线程数量是有限的，因此提交的任务需要在LinkedBlockingQueue队列中等待空余的线程；而缓存线程池中，线程数量几乎无限（上限为Integer.MAX_VALUE），因此提交的任务只需要在SynchronousQueue队列中同步移交给空余线程即可。

• 单线程调度线程池：newSingleThreadScheduledExecutor()创建，五个参数分别是 (1, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持1个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。
• 固定调度线程池：newScheduledThreadPool(n)创建，五个参数分别是 (n, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue())。含义是池中保持n个线程，多余的任务在DelayedWorkQueue中等待。

有一项技术可以缓解执行时间较长任务造成的影响，即限定任务等待资源的时间，而不要无限的等待

先看第一个例子，测试单线程池、固定线程池和缓存线程池（注意增加和取消注释）：

public class ThreadPoolExam {    public static void main(String[] args) {        //first test for singleThreadPool        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();        //second test for fixedThreadPool//        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);        //third test for cachedThreadPool//        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 5; i++) {            pool.execute(new TaskInPool(i));        }        pool.shutdown();    }}class TaskInPool implements Runnable {    private final int id;    TaskInPool(int id) {        this.id = id;    }    @Override    public void run() {        try {            for (int i = 0; i < 5; i++) {                System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is running phase-"+i);                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            }            System.out.println("TaskInPool-["+id+"] is over");        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

如图为排查底层公共缓存调用出错时的截图

绿色框采用自定义的线程工厂,明显比蓝色框默认的线程工厂创建的线程名称拥有更多的额外信息:如调用来源、线程的业务含义，有助于快速定位到死锁、StackOverflowError 等问题.

拒绝策略

下面再简单地实现一下RejectedExecutionHandler;

实现了接口的rejectedExecution方法,打印出当前线程池状态

在ThreadPoolExecutor中提供了四个公开的内部静态类

● AbortPolicy - 默认 丢弃任务并抛出RejectedExecutionException

● DiscardPolicy - 不推荐

丢弃任务,但不拋异常.

● DiscardOldestPolicy

抛弃队列中等待最久的任务,然后把当前任务加入队列中.

● CallerRunsPolicy

调用任务的run()方法绕过线程池直接执行.

根据之前实现的线程工厂和拒绝策略,线程池的相关代码实现如下

当任务被拒绝的时候，拒绝策略会打印出当前线程池的大小已经达到了maximumPoolSize=2,且队列已满,完成的任务数提示已经有1个(最后一行).

源码讲解

在ThreadPoolExecutor的属性定义中频繁地用位运算来表示线程池状态;

位运算是改变当前值的一种高效手段.

下面从属性定义开始

Integer 有32位;

最右边29位表工作线程数;

最左边3位表示线程池状态,可表示从0至7的8个不同数值

线程池的状态用高3位表示,其中包括了符号位.

五种状态的十进制值按从小到大依次排序为

RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING <TERMINATED

这样设计的好处是可以通过比较值的大小来确定线程池的状态.

例如程序中经常会出现isRunning的判断:

• 000-1111111111111111111111111;
  类似于子网掩码,用于与运算;
  得到左边3位,还是右边29位
  

用左边3位,实现5种线程池状态;

在左3位之后加入中画线有助于理解;

• 111 - 0000000000000000000000000000(十进制: -536, 870, 912);

  该状态表 线程池能接受新任务
  

• 000 - 0000000000000000000000000(十进制: 0);

  此状态不再接受新任务,但可继续执行队列中的任务
  

• 001 - 00000000000000000000000000(十进制: 536,870， 912);

  此状态全面拒绝,并中断正在处理的任务
  

• 010 - 00000000000000000000000000.(十进制值: 1, 073, 741, 824);

  该状态表 所有任务已经被终止
  

• 101 - 000000000000000000000000000(十进制值: 1, 610,612, 736)
  该状态表 已清理完现场
  

与运算,比如 001 - 000000000000000000000100011 表 67个工作线程;

掩码取反: 111 - 00000000000000000000000.,即得到左边3位001;表示线程池当前处于STOP状态

同理掩码 000 - 11111111111111111111,得到右边29位,即工作线程数

把左3位与右29位或运算,合并成一个值

我们都知道Executor接口有且只有一个方法execute();

通过参数传入待执行线程的对象.下面分析ThreadPoolExecutor关于execute()方法的实现

线程池执行任务的方法如下

/**     * Executes the given task sometime in the future.  The task     * may execute in a new thread or in an existing pooled thread.     *     * If the task cannot be submitted for execution, either because this     * executor has been shutdown or because its capacity has been reached,     * the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.     *     * @param command the task to execute     * @throws RejectedExecutionException at discretion of     *         {@code RejectedExecutionHandler}, if the task     *         cannot be accepted for execution     * @throws NullPointerException if {@code command} is null     */    public void execute(Runnable command) {        if (command == null)            throw new NullPointerException();        /*         * Proceed in 3 steps:         *         * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to         * start a new thread with the given command as its first         * task.  The call to addWorker atomically checks runState and         * workerCount, and so prevents false alarms that would add         * threads when it shouldn't, by returning false.         *         * 2. If a task can be successfully queued, then we still need         * to double-check whether we should have added a thread         * (because existing ones died since last checking) or that         * the pool shut down since entry into this method. So we         * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if         * stopped, or start a new thread if there are none.         *         * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new         * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated         * and so reject the task.         */        // 返回包含线程数及线程池状态的Integer 类型数值        int c = ctl.get();        // 若工作线程数 < 核心线程数,则创建线程并执行当前任务        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {            if (addWorker(command, true))

execute方法在不同的阶段有三次addWorker的尝试动作。

return;            // 若创建失败,为防止外部已经在线程池中加入新任务,在此重新获取一下            c = ctl.get();        }        // 若 工作线程数 >=核心线程数 或线程创建失败,则将当前任务放到工作队列中        // 只有线程池处于 RUNNING 态,才执行后半句 : 置入队列        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {            int recheck = ctl.get();            // 只有线程池处于 RUNNING 态,才执行后半句 : 置入队列            if (! isRunning(recheck) && remove(command))                reject(command);            // 若之前的线程已被消费完,新建一个线程            else if (workerCountOf(recheck) == 0)                addWorker(null, false);        // 核心线程和队列都已满,尝试创建一个新线程        }        else if (!addWorker(command, false))            // 抛出RejectedExecutionException异常            // 若 addWorker 返回是 false,即创建失败,则唤醒拒绝策略.            reject(command);    }

发生拒绝的理由有两个

( 1 )线程池状态为非RUNNING状态(2)等待队列已满。

下面继续分析addWorker

addWorker 源码解析

根据当前线程池状态,检查是否可以添加新的任务线程,若可以则创建并启动任务;

若一切正常则返回true;返回false的可能性如下

1. 线程池没有处于RUNNING态
2. 线程工厂创建新的任务线程失败

   参数

   • firstTask
     外部启动线程池时需要构造的第一个线程,它是线程的母体
   • core
     新增工作线程时的判断指标
     • true
       需要判断当前RUNNING态的线程是否少于corePoolsize
   • false
     需要判断当前RUNNING态的线程是否少于maximumPoolsize
     
     
     

这段代码晦涩难懂,部分地方甚至违反代码规约,但其中蕴含丰富的编码知识点

• 第1处,配合循环语句出现的label,类似于goto 作用

  label 定义时,必须把标签和冒号的组合语句紧紧相邻定义在循环体之前,否则会编译出错.
  目的是 在实现多重循环时能够快速退出到任何一层;
  出发点似乎非常贴心,但在大型软件项目中,滥用标签行跳转的后果将是灾难性的.
  示例代码中在retry下方有两个无限循环;
  在workerCount加1成功后,直接退出两层循环.

• 第2处,这样的表达式不利于阅读,应如是

  

• 第3处,与第1处的标签呼应,AtomicInteger对象的加1操作是原子性的;

  break retry表 直接跳出与retry 相邻的这个循环体

• 第4处,此continue跳转至标签处,继续执行循环.

  如果条件为false,则说明线程池还处于运行状态,即继续在for(;)循环内执行.

• 第5处,compareAndIncrementWorkerCount方法执行失败的概率非常低.

  即使失败,再次执行时成功的概率也是极高的,类似于自旋原理.
  这里是先加1,创建失败再减1,这是轻量处理并发创建线程的方式;
  如果先创建线程,成功再加1,当发现超出限制后再销毁线程,那么这样的处理方式明显比前者代价要大.

• 第6处,Worker对象是工作线程的核心类实现，部分源码如下
  
  它实现了Runnable接口,并把本对象作为参数输入给run()中的runWorker (this);
  所以内部属性线程thread在start的时候,即会调用runWorker.

总结

线程池的相关源码比较精炼，还包括线程池的销毁、任务提取和消费等，与线程状态图一样，线程池也有自己独立的状态转化流程，本节不再展开。

总结一下，使用线程池要注意如下几点:(1)合理设置各类参数，应根据实际业务场景来设置合理的工作线程数。(2)线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显式创建线程。(3)创建线程或线程池时请指定有意义的线程名称，方便出错时回溯。

线程池不允许使用Executors，而是通过ThreadPoolExecutor的方式创建，这样的处理方式能更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

进一步查看源码发现,这些方法最终都调用了ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor的构造函数

而ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor

0.2 ThreadPoolExecutor 自定义线程池

它们都是某种线程池,可以控制线程创建,释放,并通过某种策略尝试复用线程去执行任务的一个管理框架

,因此最终所有线程池的构造函数都调用了Java5后推出的ThreadPoolExecutor的如下构造函数

Java默认提供的线程池

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

我们只需要将待执行的方法放入 run 方法中，将 Runnable 接口的实现类交给线程池的

execute 方法，作为他的一个参数，比如：

Executor e=Executors.newSingleThreadExecutor();           e.execute(new Runnable(){ //匿名内部类     public  void run(){  //需要执行的任务 } });

线程池的实现原理

ThreadPoolExecutor执行execute()分4种情况

• 若当前运行的线程少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务(执行这一步需要获取全局锁)
• 若运行的线程多于或等于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue
• 若无法将任务加入BlockingQueue,则创建新的线程来处理任务(执行这一步需要获取全局锁)
• 若创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize,任务将被拒绝,并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()

采取上述思路,是为了在执行execute()时,尽可能避免获取全局锁

在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize),几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2,而步骤2不需要获取全局锁

#源码分析

/**     * 检查是否可以根据当前池状态和给定的边界（核心或最大)     * 添加新工作线程。如果是这样,工作线程数量会相应调整，如果可能的话,一个新的工作线程创建并启动     * 将firstTask作为其运行的第一项任务。     * 如果池已停止此方法返回false     * 如果线程工厂在被访问时未能创建线程,也返回false     * 如果线程创建失败，或者是由于线程工厂返回null，或者由于异常（通常是在调用Thread.start（）后的OOM）），我们干净地回滚。     *     * @param core if true use corePoolSize as bound, else     * maximumPoolSize. (A boolean indicator is used here rather than a     * value to ensure reads of fresh values after checking other pool     * state).     * @return true if successful     */    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {        retry:        for (;;) {            int c = ctl.get();            int rs = runStateOf(c);    /**     * Check if queue empty only if necessary.     *      * 如果线程池已关闭，并满足以下条件之一，那么不创建新的 worker：     *      1. 线程池状态大于 SHUTDOWN，也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED     *      2. firstTask != null     *      3. workQueue.isEmpty()     * 简单分析下：     *      状态控制的问题，当线程池处于 SHUTDOWN ，不允许提交任务，但是已有任务继续执行     *      当状态大于 SHUTDOWN ，不允许提交任务，且中断正在执行任务     *      多说一句：若线程池处于 SHUTDOWN，但 firstTask 为 null，且 workQueue 非空，是允许创建 worker 的     *       */            if (rs >= SHUTDOWN &&                ! (rs == SHUTDOWN &&                   firstTask == null &&                   ! workQueue.isEmpty()))                return false;            for (;;) {                int wc = workerCountOf(c);                if (wc >= CAPACITY ||                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))                    return false;                // 如果成功，那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了，准备创建线程执行任务                // 这里失败的话，说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))                    break retry;                // 由于有并发，重新再读取一下 ctl                c = ctl.get();  // Re-read ctl                // 正常如果是 CAS 失败的话，进到下一个里层的for循环就可以了                // 可如果是因为其他线程的操作，导致线程池的状态发生了变更，如有其他线程关闭了这个线程池                // 那么需要回到外层的for循环                if (runStateOf(c) != rs)                    continue retry;                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop            }        }     /* *        * 到这里，我们认为在当前这个时刻，可以开始创建线程来执行任务        */        // worker 是否已经启动        boolean workerStarted = false;        // 是否已将这个 worker 添加到 workers 这个 HashSet 中        boolean workerAdded = false;        Worker w = null;        try {           // 把 firstTask 传给 worker 的构造方法            w = new Worker(firstTask);            // 取 worker 中的线程对象，Worker的构造方法会调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程            final Thread t = w.thread;            if (t != null) {               //先加锁                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;                // 这个是整个类的全局锁，持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”，                // 因为关闭一个线程池需要这个锁，至少我持有锁的期间，线程池不会被关闭                mainLock.lock();                try {                    // Recheck while holding lock.                    // Back out on ThreadFactory failure or if                    // shut down before lock acquired.                    int rs = runStateOf(ctl.get());                    // 小于 SHUTTDOWN 即 RUNNING                    // 如果等于 SHUTDOWN，不接受新的任务，但是会继续执行等待队列中的任务                    if (rs < SHUTDOWN ||                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {                        // worker 里面的 thread 不能是已启动的                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable                            throw new IllegalThreadStateException();                        // 加到 workers 这个 HashSet 中                        workers.add(w);                        int s = workers.size();                        if (s > largestPoolSize)                            largestPoolSize = s;                        workerAdded = true;                    }                } finally {                    mainLock.unlock();                }               // 若添加成功                if (workerAdded) {                    // 启动线程                    t.start();                    workerStarted = true;                }            }        } finally {            // 若线程没有启动，做一些清理工作，若前面 workCount 加了 1，将其减掉            if (! workerStarted)                addWorkerFailed(w);        }        // 返回线程是否启动成功        return workerStarted;    }

看下 addWorkFailed

worker 中的线程 start 后，其 run 方法会调用 runWorker

继续往下看 runWorker

//  worker 线程启动后调用,while 循环(即自旋!)不断从等待队列获取任务并执行//  worker 初始化时，可指定 firstTask，那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取final void runWorker(Worker w) {    Thread wt = Thread.currentThread();    // 该线程的第一个任务(若有)    Runnable task = w.firstTask;    w.firstTask = null;    // 允许中断    w.unlock();     boolean completedAbruptly = true;    try {        // 循环调用 getTask 获取任务        while (task != null || (task = getTask()) != null) {            w.lock();                      // 若线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程也要中断              /**               * 若线程池STOP，请确保线程 已被中断               * 如果没有，请确保线程未被中断               * 这需要在第二种情况下进行重新检查，以便在关中断时处理shutdownNow竞争               */            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||                 (Thread.interrupted() &&                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&                !wt.isInterrupted())                wt.interrupt();            try {                // 这是一个钩子方法，留给需要的子类实现                beforeExecute(wt, task);                Throwable thrown = null;                try {                    // 到这里终于可以执行任务了                    task.run();                } catch (RuntimeException x) {                    thrown = x; throw x;                } catch (Error x) {                    thrown = x; throw x;                } catch (Throwable x) {                    // 这里不允许抛出 Throwable，所以转换为 Error                    thrown = x; throw new Error(x);                } finally {                    // 也是一个钩子方法，将 task 和异常作为参数，留给需要的子类实现                    afterExecute(task, thrown);                }            } finally {                // 置空 task，准备 getTask 下一个任务                task = null;                // 累加完成的任务数                w.completedTasks++;                // 释放掉 worker 的独占锁                w.unlock();            }        }        completedAbruptly = false;    } finally {        // 到这里，需要执行线程关闭        // 1. 说明 getTask 返回 null，也就是说，这个 worker 的使命结束了，执行关闭        // 2. 任务执行过程中发生了异常        //    第一种情况，已经在代码处理了将 workCount 减 1，这个在 getTask 方法分析中说        //    第二种情况，workCount 没有进行处理，所以需要在 processWorkerExit 中处理        processWorkerExit(w, completedAbruptly);    }}

看看 getTask()

// 此方法有三种可能// 1. 阻塞直到获取到任务返回。默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的，它们会一直等待任务// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候，也就是如果这么多时间内都没有任务，那么应该执行关闭// 3. 如果发生了以下条件，须返回 null//     池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)//     线程池处于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面说了，这种不再接受新的任务//     线程池处于 STOP，不仅不接受新的线程，连 workQueue 中的线程也不再执行private Runnable getTask() {    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?   for (;;) {   // 允许核心线程数内的线程回收，或当前线程数超过了核心线程数，那么有可能发生超时关闭            // 这里 break，是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))            // 两个 if 一起看：如果当前线程数 wc > maximumPoolSize，或者超时，都返回 null            // 那这里的问题来了，wc > maximumPoolSize 的情况，为什么要返回 null？            // 换句话说，返回 null 意味着关闭线程。            // 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了            // 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试            // 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，            // 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，            // 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null            int c = ctl.get();            int rs = runStateOf(c);            // Check if queue empty only if necessary.            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {                // CAS 操作，减少工作线程数                decrementWorkerCount();                return null;            }            int wc = workerCountOf(c);            // Are workers subject to culling?            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))                    return null;                continue;            }            try {                Runnable r = timed ?                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :                    workQueue.take();                if (r != null)                    return r;                timedOut = true;            } catch (InterruptedException retry) {            // 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试            // 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，            // 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，            // 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null                timedOut = false;            }        }}

到这里，基本上也说完了整个流程，回到 execute(Runnable command) 方法，看看各个分支，我把代码贴过来一下：

/**     * Executes the given task sometime in the future.  The task     * may execute in a new thread or in an existing pooled thread.     *     * If the task cannot be submitted for execution, either because this     * executor has been shutdown or because its capacity has been reached,     * the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.     *     * @param command the task to execute     * @throws RejectedExecutionException at discretion of     *         {@code RejectedExecutionHandler}, if the task     *         cannot be accepted for execution     * @throws NullPointerException if {@code command} is null     */    public void execute(Runnable command) {        if (command == null)            throw new NullPointerException();        /*         * Proceed in 3 steps:         *         * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to         * start a new thread with the given command as its first         * task.  The call to addWorker atomically checks runState and         * workerCount, and so prevents false alarms that would add         * threads when it shouldn't, by returning false.         *         * 2. If a task can be successfully queued, then we still need         * to double-check whether we should have added a thread         * (because existing ones died since last checking) or that         * the pool shut down since entry into this method. So we         * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if         * stopped, or start a new thread if there are none.         *         * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new         * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated         * and so reject the task.         */        //表示 “线程池状态” 和 “线程数” 的整数        int c = ctl.get();        // 如果当前线程数少于核心线程数，直接添加一个 worker 执行任务，        // 创建一个新的线程，并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {        // 添加任务成功，即结束        // 执行的结果，会包装到 FutureTask         // 返回 false 代表线程池不允许提交任务            if (addWorker(command, true))                return;            c = ctl.get();        }        // 到这说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败        // 如果线程池处于 RUNNING ，把这个任务添加到任务队列 workQueue 中        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {            /* 若任务进入 workQueue，我们是否需要开启新的线程             * 线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新线程的             * 若线程数已经大于等于 corePoolSize，则将任务添加到队列中，然后进到这里             */            int recheck = ctl.get();            // 若线程池不处于 RUNNING ，则移除已经入队的这个任务，并且执行拒绝策略            if (! isRunning(recheck) && remove(command))                reject(command);            // 若线程池还是 RUNNING ，且线程数为 0，则开启新的线程            // 这块代码的真正意图：担心任务提交到队列中了，但是线程都关闭了            else if (workerCountOf(recheck) == 0)                addWorker(null, false);        }        // 若 workQueue 满，到该分支        // 以 maximumPoolSize 为界创建新 worker，        // 若失败，说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize，执行拒绝策略        else if (!addWorker(command, false))            reject(command);    }

工作线程:线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后,还会循环获取工作队列里的任务来执行.我们可以从Worker类的run()方法里看到这点

public void run() {        try {            Runnable task = firstTask;            firstTask = null;            while (task != null || (task = getTask()) != null) {                runTask(task);                task = null;            }        } finally {            workerDone(this);        }    } boolean workerStarted = false;        boolean workerAdded = false;        Worker w = null;        try {            w = new Worker(firstTask);            final Thread t = w.thread;            if (t != null) {               //先加锁                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;                mainLock.lock();                try {                    // Recheck while holding lock.                    // Back out on ThreadFactory failure or if                    // shut down before lock acquired.                    int rs = runStateOf(ctl.get());                    if (rs < SHUTDOWN ||                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable                            throw new IllegalThreadStateException();                        workers.add(w);                        int s = workers.size();                        if (s > largestPoolSize)                            largestPoolSize = s;                        workerAdded = true;                    }                } finally {                    mainLock.unlock();                }                if (workerAdded) {                    t.start();                    workerStarted = true;                }            }        } finally {            if (! workerStarted)                addWorkerFailed(w);        }        return workerStarted;    }

线程池中的线程执行任务分两种情况

• 在execute()方法中创建一个线程时,会让这个线程执行当前任务
• 这个线程执行完上图中 1 的任务后,会反复从BlockingQueue获取任务来执行

线程池的使用

2.2 向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务

2.2.1 execute()

用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功.通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例.

threadsPool.execute(new Runnable() {            @Override            public void run() {                   // TODO Auto-generated method stub            }        });

从运行结果可以看出，单线程池中的线程是顺序执行的。固定线程池（参数为2）中，永远最多只有两个线程并发执行。缓存线程池中，所有线程都并发执行。

第二个例子，测试单线程调度线程池和固定调度线程池。

public class ScheduledThreadPoolExam {    public static void main(String[] args) {        //first test for singleThreadScheduledPool        ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();        //second test for scheduledThreadPool//        ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);        for (int i = 0; i < 5; i++) {            scheduledPool.schedule(new TaskInScheduledPool(i), 0, TimeUnit.SECONDS);        }        scheduledPool.shutdown();    }}class TaskInScheduledPool implements Runnable {    private final int id;    TaskInScheduledPool(int id) {        this.id = id;    }    @Override    public void run() {        try {            for (int i = 0; i < 5; i++) {                System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is running phase-"+i);                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            }            System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is over");        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

从运行结果可以看出，单线程调度线程池和单线程池类似，而固定调度线程池和固定线程池类似。

总结：

• 如果没有特殊要求，使用缓存线程池总是合适的；
• 如果只能运行一个线程，就使用单线程池。
• 如果要运行调度任务，则按需使用调度线程池或单线程调度线程池
• 如果有其他特殊要求，则可以直接使用ThreadPoolExecutor类的构造函数来创建线程池，并自己给定那五个参数。

2.2.2 submit()

用于提交需要返回值的任务.线程池会返回一个future类型对象,通过此对象可以判断任务是否执行成功

并可通过get()获取返回值,get()会阻塞当前线程直到任务完成,而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回,这时候可能任务没有执行完.

Future

2.3 关闭线程池

可通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池.

它们的原理是遍历线程池中的工作线程,然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程,所以无法响应中断的任务可能永远无法终止.但是它们存在一定的区别

• shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待执行任务的列表
• shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程.

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个,isShutdown方法就会返回true.

当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true.至于应该调用哪一种方法,应该由提交到线程池的任务的特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,若任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法.##2.4 合理配置要想合理地配置线程池,就必须首先分析任务特性,可从以下几个角度来分析

• 任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务
• 任务的优先级：高、中和低
• 任务的执行时间：长、中和短
• 任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理

• CPU密集型任务
  应配置尽可能小的线程,配置
  N(CPU)+1或者 N(CPU) * 2
• I/O密集型任务
  业务读取较多,线程并不是一直在执行任务,则应配置尽可能多的线程
  N(CPU)/1 - 阻塞系数(0.8~0.9)
• 混合型的任务,如果可以拆分,将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量.如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解.

可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数.

优先级不同的任务可以使用PriorityBlockingQueue处理.它可以让优先级高

的任务先执行.

注意　如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级低的任务可能永远不能执行

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行.

依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,等待的时间越长,则CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置得越大,这样才能更好地利用CPU.

建议使用有界队列 有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点,比如几千.

假如系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了,不断抛出抛弃任务的异常,通过排查发现是数据库出现了问题,导致执行SQL变得非常缓慢,因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的,所以导致线程池里的工作线程全部阻塞,任务积压在线程池里.如果我们设置成×××队列,那么线程池的队列就会越来越多,有可能会撑满内存,导致整个系统不可用,而不只是后台任务出现问题.

2.5　线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池,则有必要对线程池进行监控,方便在出现问题时,可以根据线程池的使用状况快速定位问题.可通过线程池提供的参数进行监控,在监控线程池的时候可以使用以下属性:

• taskCount：线程池需要执行的任务数量
• completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
• largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量.通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过.如该数值等于线程池的最大大小,则表示线程池曾经满过.
• getPoolSize：线程池的线程数量.如果线程池不销毁的话,线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减.
• getActiveCount：获取活动的线程数.

通过扩展线程池进行监控.可以通过继承线程池来自定义线程池,重写线程池的

beforeExecute、afterExecute和terminated方法,也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控.例如,监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等.这几个方法在线程池里是空方法.

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

2.6 线程池的状态

1.当线程池创建后，初始为 running 状态

2.调用 shutdown 方法后，处 shutdown 状态，此时不再接受新的任务，等待已有的任务执行完毕 3.调用 shutdownnow 方法后，进入 stop 状态，不再接受新的任务，并且会尝试终止正在执行的任务。 4.当处于 shotdown 或 stop 状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已清空，线程池被设为 terminated 状态。

#总结

java 线程池有哪些关键属性？

• corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收，当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收（allowCoreThreadTimeOut(true)）。
• workQueue 用于存放任务，添加任务的时候，如果当前线程数超过了 corePoolSize，那么往该队列中插入任务，线程池中的线程会负责到队列中拉取任务。
• keepAliveTime 用于设置空闲时间，如果线程数超出了 corePoolSize，并且有些线程的空闲时间超过了这个值，会执行关闭这些线程的操作
• rejectedExecutionHandler 用于处理当线程池不能执行此任务时的情况，默认有抛出 RejectedExecutionException 异常、忽略任务、使用提交任务的线程来执行此任务和将队列中等待最久的任务删除，然后提交此任务这四种策略，默认为抛出异常。
  ##线程池中的线程创建时机？
• 如果当前线程数少于 corePoolSize，那么提交任务的时候创建一个新的线程，并由这个线程执行这个任务；
• 如果当前线程数已经达到 corePoolSize，那么将提交的任务添加到队列中，等待线程池中的线程去队列中取任务；
• 如果队列已满，那么创建新的线程来执行任务，需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize，如果此时线程数超过了 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。

##任务执行过程中发生异常怎么处理？

如果某个任务执行出现异常，那么执行任务的线程会被关闭，而不是继续接收其他任务。然后会启动一个新的线程来代替它。

##什么时候会执行拒绝策略？

• workers 的数量达到了 corePoolSize，任务入队成功，以此同时线程池被关闭了，而且关闭线程池并没有将这个任务出队，那么执行拒绝策略。这里说的是非常边界的问题，入队和关闭线程池并发执行，读者仔细看看 execute 方法是怎么进到第一个 reject(command) 里面的。
• workers 的数量大于等于 corePoolSize，准备入队，可是队列满了，任务入队失败，那么准备开启新的线程，可是线程数已经达到 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。

参考

<<码出高效>>