Java面试中，线程池也算是一个高频的问题，其实就JDK源码来看线程池这一块的实现代码应该算是写的清晰易懂的，通过这篇文章，我们就来盘点一下线程池的知识点。
本文基于JDK1.8源码进行分析
首先看下线程池构造函数：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
//忽略赋值与校验逻辑
}
构造参数比较多，一个一个说下：
- corePoolSize线程池中的核心线程数
- maximumPoolSize线程池中的最大线程数
- keepAliveTime线程池中的线程存活时间（准确来说应该是没有任务执行时的回收时间，后面会分析）
- unit时间单位
- workQueue来不及执行的任务存放的阻塞队列
- threadFactory新建woker线程（注意不是我们提交的任务）是进行一些属性设置，比如线程名，优先级等等，有默认实现。
- handler 任务拒绝策略，当运行线程数已达到maximumPoolSize，队列也已经装满时会调用该参数拒绝任务，有默认实现。
当我们向线程池提交任务时，通常使用execute方法，接下来就先从该方法开始分析。
在分析execute代码之前，需要先说明下，我们都知道线程池是维护了一批线程来处理用户提交的任务，达到线程复用的目的，线程池维护的这批线程被封装成了Worker。
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//JDK8的源码中，线程池本身的状态跟worker数量使用同一个变量ctl来维护
int c = ctl.get();
//通过位运算得出当然线程池中的worker数量与构造参数corePoolSize进行比较
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//如果小于corePoolSize，则直接新增一个worker，并把当然用户提交的任务command作为参数，如果成功则返回。
if (addWorker(command, true))
return;
//如果失败，则获取最新的线程池数据
c = ctl.get();
}
//如果线程池仍在运行，则把任务放到阻塞队列中等待执行。
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//这里的recheck思路是为了处理并发问题
int recheck = ctl.get();
//当任务成功放入队列时，如果recheck发现线程池已经不再运行了则从队列中把任务删除
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
//删除成功以后，会调用构造参数传入的拒绝策略。
reject(command);
//如果worker的数量为0（此时队列中可能有任务没有执行），则新建一个worker（由于此时新建woker的目的是执行队列中堆积的任务，
//因此入参没有执行任务，详细逻辑后面会详细分析addWorker方法）。
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//如果前面的新增woker，放入队列都失败，则会继续新增worker，此时线程池的状态是woker数量达到corePoolSize，阻塞队列任务已满
//只能基于maximumPoolSize参数新建woker
else if (!addWorker(command, false))
//如果基于maximumPoolSize新建woker失败，此时是线程池中线程数已达到上限，队列已满，则调用构造参数中传入的拒绝策略
reject(command);
}
源码里我增加了很多注释，需要多读几遍才能完全理解，总结一下用户向线程池提交任务以后，线程池的执行逻辑：
- 如果当前woker数量小于corePoolSize，则新建一个woker并把当前任务分配给该woker线程，成功则返回。
- 如果第一步失败，则尝试把任务放入阻塞队列，如果成功则返回。
- 如果第二步失败，则判断如果当前woker数量小于maximumPoolSize，则新建一个woker并把当前任务分配给该woker线程，成功则返回。
- 如果第三步失败，则调用拒绝策略处理该任务。
从execute的源码可以看出addWorker方法是重中之重，马上来看下它的实现。
addWorker方法：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
//这里有一段基于CAS+死循环实现的关于线程池状态，线程数量的校验与更新逻辑就先忽略了，重点看主流程。
//...
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//把指定任务作为参数新建一个worker线程
w = new Worker(firstTask);
//这里是重点，咋一看，一定以为w.thread就是我们传入的firstTask
//其实是通过线程池构造函数参数threadFactory生成的woker对象
//也就是说这个变量t就是代表woker线程。绝对不是用户提交的线程任务firstTask！！！
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//加锁之后仍旧是判断线程池状态等一些校验逻辑。
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
//把新建的woker线程放入集合保存，这里使用的是HashSet
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
//然后启动woker线程
//这里再强调一遍上面说的逻辑，该变量t代表woker线程，也就是会调用woker的run方法
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
//如果woker启动失败，则进行一些善后工作，比如说修改当前woker数量等等
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
addWorker方法主要做的工作就是新建一个Woker线程，加入到woker集合中，然后启动该线程，那么接下来的重点就是Woker类的run方法了。
worker执行方法：
//Woker类实现了Runnable接口
public void run() {
runWorker(this);
}
//最终woker执行逻辑走到了这里
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
//task就是Woker构造函数入参指定的任务，即用户提交的任务
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
//一般情况下，task都不会为空（特殊情况上面注释中也说明了），因此会直接进入循环体中
//这里getTask方法是要重点说明的，它的实现跟我们构造参数设置存活时间有关
//我们都知道构造参数设置的时间代表了线程池中的线程，即woker线程的存活时间，如果到期则回收woker线程，这个逻辑的实现就在getTask中。
//来不及执行的任务，线程池会放入一个阻塞队列，getTask方法就是去阻塞队列中取任务，用户设置的存活时间，就是
//从这个阻塞队列中取任务等待的最大时间，如果getTask返回null，意思就是woker等待了指定时间仍然没有
//取到任务，此时就会跳过循环体，进入woker线程的销毁逻辑。
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
//该方法是个空的实现，如果有需要用户可以自己继承该类进行实现
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
//真正的任务执行逻辑
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 {
//该方法是个空的实现，如果有需要用户可以自己继承该类进行实现
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
//这里设为null，也就是循环体再执行的时候会调用getTask方法
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
//当指定任务执行完成，阻塞队列中也取不到可执行任务时，会进入这里，做一些善后工作，比如在corePoolSize跟maximumPoolSize之间的woker会进行回收
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
woker线程的执行流程就是首先执行初始化时分配给的任务，执行完成以后会尝试从阻塞队列中获取可执行的任务，如果指定时间内仍然没有任务可以执行，则进入销毁逻辑。
注：这里只会回收corePoolSize与maximumPoolSize直接的那部分woker
理解了整个线程池的运行原理以后，再来看下JDK默认提供的线程池类型就会一目了然了：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
//corePoolSize跟maximumPoolSize值一样，同时传入一个无界阻塞队列
//根据上面分析的woker回收逻辑，该线程池的线程会维持在指定线程数，不会进行回收
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
//线程池中只有一个线程进行任务执行，其他的都放入阻塞队列
//外面包装的FinalizableDelegatedExecutorService类实现了finalize方法，在JVM垃圾回收的时候会关闭线程池
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
//这个线程池corePoolSize为0，maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE，意思也就是说来一个任务就创建一个woker，回收时间是60s
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
最后再说说初始化线程池时线程数的选择：
- 如果任务是IO密集型，一般线程数需要设置2倍CPU数以上，以此来尽量利用CPU资源。
- 如果任务是CPU密集型，一般线程数量只需要设置CPU数加1即可，更多的线程数也只能增加上下文切换，不能增加CPU利用率。
上述只是一个基本思想，如果真的需要精确的控制，还是需要上线以后观察线程池中线程数量跟队列的情况来定。
作者：凌风郎少
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时间： 2024-10-01 05:05:34