1 问题背景

前面总结了工作中的解决方案——电商项目之百万级别的临时订单数据补偿解决方案。其中应用到了线程池，今天简单了解一下线程池的基础知识。

参考自：Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践

2 前言

• 本篇博客旨在对线程池的各个参数有一个基本的全局了解，基本不涉及案例demo代码。
• 不必背诵这些知识点，有不懂之处需要上下文反复阅读，反复思考。
• 本文描述线程池是JDK1.8中提供的ThreadPoolExecutor类。
• 本文基本都是从Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践搬来的，有需要了解更详细的信息可以直接看它。

3 线程池是什么

线程池是池化思想的一种体现。

线程过多的缺点：

1. 创建、销毁线程的开销
2. 调度线程的开销

线程池维护多个线程，它解决了

1. 避免创建、销毁线程的开销
2. 避免线程数量膨胀导致过分的调度问题

总结：线程池就是解决了线程过多的缺点。可以理解成线程池是一个管理线程的管理者。

线程池的优点：

1. 提高资源利用率。重复利用已创建的线程。
2. 提高响应速度。任务到达时，无需等待线程创建即可立刻执行任务。
3. 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，无限制创建线程会使得线程不合理分布导致降低系统的稳定性。使用线程池进行统一分配、调优和监控。
4. 提供更多更强大的功能。比如延时、定时线程池，允许任务延时执行或定时执行。

4 线程池核心设计与实现

4.1 总体设计

Java中线程池核心实现类是ThreadPoolExecutor。基于JDK1.8的源码，ThreadPoolExecutor的继承关系如下：

• Executor：该接口的思想是将任务提交和任务执行解耦。用户只需提供Runnable对象（任务的运行逻辑）给Executor，由Executor完成线程的调配和任务的执行。
• ExecutorService：增加了一些能力：（1）补充了为一个或一批异步任务生成Future的方法；（2）提供了管控线程池的方法。比如停止线程池的运行。
• AbstractExecutorService：将执行任务的流程串联起来。
• ThreadPoolExecutor：实现最复杂的运行部分。一方面维护自身的生命周期；另一方面同时管理线程和任务，使两者良好结合从而执行并行任务。

4.2 运行机制

ThreadPoolExecutor如何同时维护线程和执行任务的呢？其运行机制如下所示：

线程池内部使用了生产者消费者模型，将任务和线程解耦。

线程池的运行主要分成两部分：

• 任务管理： 充当生产者的角色。当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转：（1）直接申请线程执行任务；（2）缓冲到阻塞队列中等待执行；（3）拒绝该任务。
• 线程管理： 充当消费者的角色。线程被统一维护在图中的线程池内，根据任务请求进行线程分配，线程执行完任务后会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。

接下来，会按照以下三个部分去详细讲解线程池运行机制：

• 线程池如何维护自身状态。
• 线程池如何管理任务。
• 线程池如何管理线程。

4.3 生命周期管理

线程池运行的状态是由其内部维护的。它使用一个变量维护两个值：运行状态（runState） 和线程数量（workerCount）。源码如下：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

ctl这个变量包含两部分的信息：高3位保存runState，低29位保存workerCount。两部分信息之间互不干扰。

用一个变量存储两个值，可以避免在做相关决策时出现不一致的情况。不必为了维护两者的一致而占用锁资源。

线程池也提供了若干方法去供用户获得线程池当前的运行状态、线程个数，如下所示：

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; } //计算当前运行状态
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }  //计算当前线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }   //通过状态和线程数生成ctl

线程 池的五种状态如下：

运行状态	状态描述
RUNNING	能接收新提交的任务，也能处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN	关闭状态，不再接收新提交的任务，但仍会继续处理阻塞队列中的任务
STOP	不接收新任务，也不处理阻塞队列中的任务，中断正在处理任务的线程
TYDYING	所有的任务已终止，workerCount（有效线程）为0
TERMINATED	在terminated() 方法执行完后进入该状态

线程池生命周期的状态转换如下：

4.4 任务执行机制

4.4.1 任务调度

任务调度是线程池的主要入口，当用户提交了一个任务，接下来这个任务将如何执行都是由这个阶段决定的。

所有任务调度都是由execute()完成的，其执行过程如下：

1. 检测线程池的状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝。线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
2. 如果 workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
3. 如果 workerCount >= corePoolSize，并且阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
4. 如果 workerCount >= corePoolSize && workerCount < maxmimumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
5. 如果 workerCount >= maxmimumPoolSize，并且阻塞队列已满，则根据拒绝策略来处理任务。默认的方式是直接抛异常。

任务调度流程图如下：

4.4.2 任务缓冲

线程池中以生产者消费者模式，通过一个阻塞队列实现，达到将任务与线程解耦的目的。阻塞队列缓存任务，工作线程从阻塞队列中获取任务。

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

下图中展示了线程1往阻塞队列中添加元素，而线程2从阻塞队列中移除元素：

使用不同的队列可以实现不一样的任务存取策略。在这里，我们可以再介绍下阻塞队列的成员：

名称	描述
ArrayBlockingQueue	一个用数组实现的有界队列，此队列按照先进先出（FIFO）原则对元素进行排序。支持公平锁和非公平锁。
LinkedBlockingQueue	一个用链表结构组成的有界队列，此队列按照先进先出（FIFO）原则对元素进行排序。队列的默认长度为Integer.MAX_VALUE，所以默认创建的队列有容量危险。
PriorityBlockingQueue	一个支持线程优先级的无界队列，默认自然序进行排序。也可以实现compareTo()来指定元素排序规则。不能保证同优先级元素的顺序。
DelayQueue	一个实现PriorityBlockingQueue实现延时获取的队列。在创建元素时，可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有延时期满后才能从队列中获取元素。
SynchronousQueue	一个不存储元素的阻塞队列，每一个put操作必须等待take操作，否则不能添加元素。支持公平锁和非公平锁。Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60s后会被回收。
LinkedTransferQueue	一个有链表结构组成的无界阻塞队列，相当于其他队列。LinkedTransferQueue多了transfer和tryTransfer方法。
LinkedBlockingDeque	一个由链表结构组成的双向阻塞队列。队列头部和尾部都可以添加移除元素。多线程并发时，可以将锁的竞争最多降到一半。

4.4.3 任务申请

由4.4.1任务调度小节中得知，任务的执行有2种可能：

1. 任务直接由新创建的线程执行
2. 线程从任务队列获取任务然后执行，执行完任务的空闲线程再次从队列中申请任务再去执行。

第一种情况 仅出现在线程初始创建的时候，第二种则是线程获取任务绝大多数的情况。

线程需要从任务缓存模块中不断获取任务执行，帮助线程从阻塞队列中获取任务，实现任务管理模块与线程管理模块之间的通信。这部分策略由getTask()实现，其执行流程如下：

getTask()进行了多次判断，目的是为了控制线程的数量，使其符合线程池的状态。如果线程池现在不应该持有那么多的线程，则会返回null值。工作线程worker会不断接收新任务执行，当工作线程worker接收不到任务时，就会开始被回收。

4.4.4 任务拒绝

任务拒绝模块是线程池的保护部分，线程池有一个最大的容量，当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时，就需要拒绝掉该任务，采取任务拒绝策略，保护线程池。

拒绝策略是一个接口，其设计如下：

public interface RejectedExecutionHandler {void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略，也可以选择JDK提供的四种已有拒绝策略，其特点如下：

序号	名称	描述
1	ThreadPoolExecutor.AbortPolicy	丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。这是线程池默认的拒绝策略。在任务不能再提交时，抛出异常，及时反馈 程序运行状态。如果是比较关键的业务，推荐使用该策略，这样子在系统不能承受更大的并发量的时候，能够及时通过异常发现。
2	ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy	丢弃任务，但不抛异常。使用该策略会使得我们无法及时发现系统的异常状态，建议是一些无关紧要的业务采用此策略。
3	ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy	丢弃队列最前面的任务，然后重新提交被拒绝的任务。是否采用此种策略，还得根据实际业务是否允许丢弃老任务来认真衡量。
4	ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy	由调用线程（提交任务的线程）处理该任务。这种情况是需要所有任务都执行完毕，那么就适合大量计算的任务类型去执行。多线程仅仅是增大吞吐量的手段，最终必须要让每个任务都执行完毕。

4.5 Worker线程管理

4.5.1 Worker线程

线程池为了掌握线程的状态并维护线程的生命周期，设计了线程池内的工作线程Worker。部分代码如下：

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{final Thread thread;//Worker持有的线程Runnable firstTask;//初始化的任务，可以为null
}

记录：后续的知识都是围绕线程管理如何运行的，笔者都不太懂，打算不继续写下去了，需要了解详情可以看美团的文章。基本是说申请添加线程，回收线程等，都会有涉及锁的操作。所以创建线程、回收线程会消耗一定的系统资源。文章末尾还给出线程池的一整套解决方案，动态参数化设置线程池的核心参数、监控、告警、权限修改等。