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作者:idea buffer

線程池介紹

在web開發(fā)中，服務(wù)器需要接受并處理請(qǐng)求，所以會(huì)為一個(gè)請(qǐng)求來分配一個(gè)線程來進(jìn)行處理。如果每次請(qǐng)求都新創(chuàng)建一個(gè)線程的話實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)便，但是存在一個(gè)問題：

如果并發(fā)的請(qǐng)求數(shù)量非常多，但每個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)間很短，這樣就會(huì)頻繁的創(chuàng)建和銷毀線程，如此一來會(huì)大大降低系統(tǒng)的效率?？赡艹霈F(xiàn)服務(wù)器在為每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建新線程和銷毀線程上花費(fèi)的時(shí)間和消耗的系統(tǒng)資源要比處理實(shí)際的用戶請(qǐng)求的時(shí)間和資源更多。

那么有沒有一種辦法使執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)，并不被銷毀，而是可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務(wù)呢？

這就是線程池的目的了。線程池為線程生命周期的開銷和資源不足問題提供了解決方案。通過對(duì)多個(gè)任務(wù)重用線程，線程創(chuàng)建的開銷被分?jǐn)偟搅硕鄠€(gè)任務(wù)上。

• 單個(gè)任務(wù)處理時(shí)間比較短

• 需要處理的任務(wù)數(shù)量很大

使用線程池的好處

引用自 http://ifeve.com/java-threadpool/ 的說明：

• 降低資源消耗。通過重復(fù)利用已創(chuàng)建的線程降低線程創(chuàng)建和銷毀造成的消耗。

• 提高響應(yīng)速度。當(dāng)任務(wù)到達(dá)時(shí)，任務(wù)可以不需要的等到線程創(chuàng)建就能立即執(zhí)行。

• 提高線程的可管理性。線程是稀缺資源，如果無限制的創(chuàng)建，不僅會(huì)消耗系統(tǒng)資源，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用線程池可以進(jìn)行統(tǒng)一的分配，調(diào)優(yōu)和監(jiān)控。

Java中的線程池是用ThreadPoolExecutor類來實(shí)現(xiàn)的. 本文就結(jié)合JDK 1.8對(duì)該類的源碼來分析一下這個(gè)類內(nèi)部對(duì)于線程的創(chuàng)建, 管理以及后臺(tái)任務(wù)的調(diào)度等方面的執(zhí)行原理。

先看一下線程池的類圖：

Executor框架接口

Executor框架是一個(gè)根據(jù)一組執(zhí)行策略調(diào)用，調(diào)度，執(zhí)行和控制的異步任務(wù)的框架，目的是提供一種將”任務(wù)提交”與”任務(wù)如何運(yùn)行”分離開來的機(jī)制。

• Executor：一個(gè)運(yùn)行新任務(wù)的簡(jiǎn)單接口；

• ExecutorService：擴(kuò)展了Executor接口。添加了一些用來管理執(zhí)行器生命周期和任務(wù)生命周期的方法；

• ScheduledExecutorService：擴(kuò)展了ExecutorService。支持Future和定期執(zhí)行任務(wù)。

Executor接口

public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}

Executor接口只有一個(gè)execute方法，用來替代通常創(chuàng)建或啟動(dòng)線程的方法。例如，使用Thread來創(chuàng)建并啟動(dòng)線程的代碼如下：

Thread t = new Thread();
t.start();

使用Executor來啟動(dòng)線程執(zhí)行任務(wù)的代碼如下：

Thread t = new Thread();
executor.execute(t);

對(duì)于不同的Executor實(shí)現(xiàn)，execute()方法可能是創(chuàng)建一個(gè)新線程并立即啟動(dòng)，也有可能是使用已有的工作線程來運(yùn)行傳入的任務(wù)，也可能是根據(jù)設(shè)置線程池的容量或者阻塞隊(duì)列的容量來決定是否要將傳入的線程放入阻塞隊(duì)列中或者拒絕接收傳入的線程。

ExecutorService接口

ExecutorService接口繼承自Executor接口，提供了管理終止的方法，以及可為跟蹤一個(gè)或多個(gè)異步任務(wù)執(zhí)行狀況而生成 Future 的方法。增加了shutDown()，shutDownNow()，invokeAll()，invokeAny()和submit()等方法。如果需要支持即時(shí)關(guān)閉，也就是shutDownNow()方法，則任務(wù)需要正確處理中斷。

ScheduledExecutorService接口

ScheduledExecutorService擴(kuò)展ExecutorService接口并增加了schedule方法。調(diào)用schedule方法可以在指定的延時(shí)后執(zhí)行一個(gè)Runnable或者Callable任務(wù)。ScheduledExecutorService接口還定義了按照指定時(shí)間間隔定期執(zhí)行任務(wù)的scheduleAtFixedRate()方法和scheduleWithFixedDelay()方法。

ThreadPoolExecutor分析

ThreadPoolExecutor繼承自AbstractExecutorService，也是實(shí)現(xiàn)了ExecutorService接口。

幾個(gè)重要的字段

ctl是對(duì)線程池的運(yùn)行狀態(tài)和線程池中有效線程的數(shù)量進(jìn)行控制的一個(gè)字段， 它包含兩部分的信息: 線程池的運(yùn)行狀態(tài) (runState) 和線程池內(nèi)有效線程的數(shù)量 (workerCount)，這里可以看到，使用了Integer類型來保存，高3位保存runState，低29位保存workerCount。COUNT_BITS 就是29，CAPACITY就是1左移29位減1（29個(gè)1），這個(gè)常量表示workerCount的上限值，大約是5億。

下面再介紹下線程池的運(yùn)行狀態(tài). 線程池一共有五種狀態(tài), 分別是:

1. RUNNING ：能接受新提交的任務(wù)，并且也能處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)；

2. SHUTDOWN：關(guān)閉狀態(tài)，不再接受新提交的任務(wù)，但卻可以繼續(xù)處理阻塞隊(duì)列中已保存的任務(wù)。在線程池處于 RUNNING 狀態(tài)時(shí)，調(diào)用 shutdown()方法會(huì)使線程池進(jìn)入到該狀態(tài)。（finalize() 方法在執(zhí)行過程中也會(huì)調(diào)用shutdown()方法進(jìn)入該狀態(tài)）；

3. STOP：不能接受新任務(wù)，也不處理隊(duì)列中的任務(wù)，會(huì)中斷正在處理任務(wù)的線程。在線程池處于 RUNNING 或 SHUTDOWN 狀態(tài)時(shí)，調(diào)用 shutdownNow() 方法會(huì)使線程池進(jìn)入到該狀態(tài)；

4. TIDYING：如果所有的任務(wù)都已終止了，workerCount (有效線程數(shù)) 為0，線程池進(jìn)入該狀態(tài)后會(huì)調(diào)用 terminated() 方法進(jìn)入TERMINATED 狀態(tài)。

5. TERMINATED：在terminated() 方法執(zhí)行完后進(jìn)入該狀態(tài)，默認(rèn)terminated()方法中什么也沒有做。
   進(jìn)入TERMINATED的條件如下：

• 線程池不是RUNNING狀態(tài)；

• 線程池狀態(tài)不是TIDYING狀態(tài)或TERMINATED狀態(tài)；

• 如果線程池狀態(tài)是SHUTDOWN并且workerQueue為空；

• workerCount為0；

• 設(shè)置TIDYING狀態(tài)成功。

下圖為線程池的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程：

ctl相關(guān)方法

• runStateOf：獲取運(yùn)行狀態(tài)；

• workerCountOf：獲取活動(dòng)線程數(shù)；

• ctlOf：獲取運(yùn)行狀態(tài)和活動(dòng)線程數(shù)的值。

ThreadPoolExecutor構(gòu)造方法

構(gòu)造方法中的字段含義如下：

• corePoolSize：核心線程數(shù)量，當(dāng)有新任務(wù)在execute()方法提交時(shí)，會(huì)執(zhí)行以下判斷：
  所以，任務(wù)提交時(shí)，判斷的順序?yàn)?corePoolSize –> workQueue –> maximumPoolSize。

1. 如果運(yùn)行的線程少于 corePoolSize，則創(chuàng)建新線程來處理任務(wù)，即使線程池中的其他線程是空閑的；

2. 如果線程池中的線程數(shù)量大于等于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize，則只有當(dāng)workQueue滿時(shí)才創(chuàng)建新的線程去處理任務(wù)；

3. 如果設(shè)置的corePoolSize 和 maximumPoolSize相同，則創(chuàng)建的線程池的大小是固定的，這時(shí)如果有新任務(wù)提交，若workQueue未滿，則將請(qǐng)求放入workQueue中，等待有空閑的線程去從workQueue中取任務(wù)并處理；

4. 如果運(yùn)行的線程數(shù)量大于等于maximumPoolSize，這時(shí)如果workQueue已經(jīng)滿了，則通過handler所指定的策略來處理任務(wù)；

• maximumPoolSize：最大線程數(shù)量；

• workQueue：等待隊(duì)列，當(dāng)任務(wù)提交時(shí)，如果線程池中的線程數(shù)量大于等于corePoolSize的時(shí)候，把該任務(wù)封裝成一個(gè)Worker對(duì)象放入等待隊(duì)列；

• workQueue：保存等待執(zhí)行的任務(wù)的阻塞隊(duì)列，當(dāng)提交一個(gè)新的任務(wù)到線程池以后, 線程池會(huì)根據(jù)當(dāng)前線程池中正在運(yùn)行著的線程的數(shù)量來決定對(duì)該任務(wù)的處理方式，主要有以下幾種處理方式:

• 如果要想降低系統(tǒng)資源的消耗（包括CPU的使用率，操作系統(tǒng)資源的消耗，上下文環(huán)境切換的開銷等）, 可以設(shè)置較大的隊(duì)列容量和較小的線程池容量, 但這樣也會(huì)降低線程處理任務(wù)的吞吐量。

• 如果提交的任務(wù)經(jīng)常發(fā)生阻塞，那么可以考慮通過調(diào)用 setMaximumPoolSize() 方法來重新設(shè)定線程池的容量。

• 如果隊(duì)列的容量設(shè)置的較小，通常需要將線程池的容量設(shè)置大一點(diǎn)，這樣CPU的使用率會(huì)相對(duì)的高一些。但如果線程池的容量設(shè)置的過大，則在提交的任務(wù)數(shù)量太多的情況下，并發(fā)量會(huì)增加，那么線程之間的調(diào)度就是一個(gè)要考慮的問題，因?yàn)檫@樣反而有可能降低處理任務(wù)的吞吐量。

1. 直接切換：這種方式常用的隊(duì)列是SynchronousQueue，但現(xiàn)在還沒有研究過該隊(duì)列，這里暫時(shí)還沒法介紹；

2. 使用無界隊(duì)列：一般使用基于鏈表的阻塞隊(duì)列LinkedBlockingQueue。如果使用這種方式，那么線程池中能夠創(chuàng)建的最大線程數(shù)就是corePoolSize，而maximumPoolSize就不會(huì)起作用了（后面也會(huì)說到）。當(dāng)線程池中所有的核心線程都是RUNNING狀態(tài)時(shí)，這時(shí)一個(gè)新的任務(wù)提交就會(huì)放入等待隊(duì)列中。

3. 使用有界隊(duì)列：一般使用ArrayBlockingQueue。使用該方式可以將線程池的最大線程數(shù)量限制為maximumPoolSize，這樣能夠降低資源的消耗，但同時(shí)這種方式也使得線程池對(duì)線程的調(diào)度變得更困難，因?yàn)榫€程池和隊(duì)列的容量都是有限的值，所以要想使線程池處理任務(wù)的吞吐率達(dá)到一個(gè)相對(duì)合理的范圍，又想使線程調(diào)度相對(duì)簡(jiǎn)單，并且還要盡可能的降低線程池對(duì)資源的消耗，就需要合理的設(shè)置這兩個(gè)數(shù)量。

• keepAliveTime：線程池維護(hù)線程所允許的空閑時(shí)間。當(dāng)線程池中的線程數(shù)量大于corePoolSize的時(shí)候，如果這時(shí)沒有新的任務(wù)提交，核心線程外的線程不會(huì)立即銷毀，而是會(huì)等待，直到等待的時(shí)間超過了keepAliveTime；

• threadFactory：它是ThreadFactory類型的變量，用來創(chuàng)建新線程。默認(rèn)使用Executors.defaultThreadFactory() 來創(chuàng)建線程。使用默認(rèn)的ThreadFactory來創(chuàng)建線程時(shí)，會(huì)使新創(chuàng)建的線程具有相同的NORM_PRIORITY優(yōu)先級(jí)并且是非守護(hù)線程，同時(shí)也設(shè)置了線程的名稱。

• handler：它是RejectedExecutionHandler類型的變量，表示線程池的飽和策略。如果阻塞隊(duì)列滿了并且沒有空閑的線程，這時(shí)如果繼續(xù)提交任務(wù)，就需要采取一種策略處理該任務(wù)。線程池提供了4種策略：

1. AbortPolicy：直接拋出異常，這是默認(rèn)策略；

2. CallerRunsPolicy：用調(diào)用者所在的線程來執(zhí)行任務(wù)；

3. DiscardOldestPolicy：丟棄阻塞隊(duì)列中靠最前的任務(wù)，并執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)；

4. DiscardPolicy：直接丟棄任務(wù)；

execute方法

1. 如果workerCount < corePoolSize，則創(chuàng)建并啟動(dòng)一個(gè)線程來執(zhí)行新提交的任務(wù)；

2. 如果workerCount >= corePoolSize，且線程池內(nèi)的阻塞隊(duì)列未滿，則將任務(wù)添加到該阻塞隊(duì)列中；

3. 如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且線程池內(nèi)的阻塞隊(duì)列已滿，則創(chuàng)建并啟動(dòng)一個(gè)線程來執(zhí)行新提交的任務(wù)；

4. 如果workerCount >= maximumPoolSize，并且線程池內(nèi)的阻塞隊(duì)列已滿, 則根據(jù)拒絕策略來處理該任務(wù), 默認(rèn)的處理方式是直接拋異常。

這里要注意一下addWorker(null, false);，也就是創(chuàng)建一個(gè)線程，但并沒有傳入任務(wù)，因?yàn)槿蝿?wù)已經(jīng)被添加到workQueue中了，所以worker在執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)直接從workQueue中獲取任務(wù)。所以，在workerCountOf(recheck) == 0時(shí)執(zhí)行addWorker(null, false);也是為了保證線程池在RUNNING狀態(tài)下必須要有一個(gè)線程來執(zhí)行任務(wù)。

execute方法執(zhí)行流程如下：

addWorker方法

Worker類

1. lock方法一旦獲取了獨(dú)占鎖，表示當(dāng)前線程正在執(zhí)行任務(wù)中；

2. 如果正在執(zhí)行任務(wù)，則不應(yīng)該中斷線程；

3. 如果該線程現(xiàn)在不是獨(dú)占鎖的狀態(tài)，也就是空閑的狀態(tài)，說明它沒有在處理任務(wù)，這時(shí)可以對(duì)該線程進(jìn)行中斷；

4. 線程池在執(zhí)行shutdown方法或tryTerminate方法時(shí)會(huì)調(diào)用interruptIdleWorkers方法來中斷空閑的線程，interruptIdleWorkers方法會(huì)使用tryLock方法來判斷線程池中的線程是否是空閑狀態(tài)；

5. 之所以設(shè)置為不可重入，是因?yàn)槲覀儾幌Ｍ蝿?wù)在調(diào)用像setCorePoolSize這樣的線程池控制方法時(shí)重新獲取鎖。如果使用ReentrantLock，它是可重入的，這樣如果在任務(wù)中調(diào)用了如setCorePoolSize這類線程池控制的方法，會(huì)中斷正在運(yùn)行的線程。

此外，在構(gòu)造方法中執(zhí)行了setState(-1);，把state變量設(shè)置為-1，為什么這么做呢？是因?yàn)锳QS中默認(rèn)的state是0，如果剛創(chuàng)建了一個(gè)Worker對(duì)象，還沒有執(zhí)行任務(wù)時(shí)，這時(shí)就不應(yīng)該被中斷，看一下tryAquire方法：

runWorker方法

在Worker類中的run方法調(diào)用了runWorker方法來執(zhí)行任務(wù)，runWorker方法的代碼如下：

• 如果線程池正在停止，那么要保證當(dāng)前線程是中斷狀態(tài)；

• 如果不是的話，則要保證當(dāng)前線程不是中斷狀態(tài)；

這里要考慮在執(zhí)行該if語句期間可能也執(zhí)行了shutdownNow方法，shutdownNow方法會(huì)把狀態(tài)設(shè)置為STOP，回顧一下STOP狀態(tài)：

不能接受新任務(wù)，也不處理隊(duì)列中的任務(wù)，會(huì)中斷正在處理任務(wù)的線程。在線程池處于 RUNNING 或 SHUTDOWN 狀態(tài)時(shí)，調(diào)用 shutdownNow() 方法會(huì)使線程池進(jìn)入到該狀態(tài)。

STOP狀態(tài)要中斷線程池中的所有線程，而這里使用Thread.interrupted()來判斷是否中斷是為了確保在RUNNING或者SHUTDOWN狀態(tài)時(shí)線程是非中斷狀態(tài)的，因?yàn)門hread.interrupted()方法會(huì)復(fù)位中斷的狀態(tài)。

總結(jié)一下runWorker方法的執(zhí)行過程：

1. while循環(huán)不斷地通過getTask()方法獲取任務(wù)；

2. getTask()方法從阻塞隊(duì)列中取任務(wù)；

3. 如果線程池正在停止，那么要保證當(dāng)前線程是中斷狀態(tài)，否則要保證當(dāng)前線程不是中斷狀態(tài)；

4. 調(diào)用task.run()執(zhí)行任務(wù)；

5. 如果task為null則跳出循環(huán)，執(zhí)行processWorkerExit()方法；

6. runWorker方法執(zhí)行完畢，也代表著Worker中的run方法執(zhí)行完畢，銷毀線程。

getTask方法

processWorkerExit方法

至此，processWorkerExit執(zhí)行完之后，工作線程被銷毀，以上就是整個(gè)工作線程的生命周期，從execute方法開始，Worker使用ThreadFactory創(chuàng)建新的工作線程，runWorker通過getTask獲取任務(wù)，然后執(zhí)行任務(wù)，如果getTask返回null，進(jìn)入processWorkerExit方法，整個(gè)線程結(jié)束，如圖所示：

tryTerminate方法

tryTerminate方法根據(jù)線程池狀態(tài)進(jìn)行判斷是否結(jié)束線程池，代碼如下：

shutdown方法

shutdown方法要將線程池切換到SHUTDOWN狀態(tài)，并調(diào)用interruptIdleWorkers方法請(qǐng)求中斷所有空閑的worker，最后調(diào)用tryTerminate嘗試結(jié)束線程池。

• 在getTask方法中，如果這時(shí)線程池的狀態(tài)是SHUTDOWN并且workQueue為空，那么就應(yīng)該返回null來結(jié)束這個(gè)工作線程，而使線程池進(jìn)入SHUTDOWN狀態(tài)需要調(diào)用shutdown方法；

• shutdown方法會(huì)調(diào)用interruptIdleWorkers來中斷空閑的線程，interruptIdleWorkers持有mainLock，會(huì)遍歷workers來逐個(gè)判斷工作線程是否空閑。但getTask方法中沒有mainLock；

• 在getTask中，如果判斷當(dāng)前線程池狀態(tài)是RUNNING，并且阻塞隊(duì)列為空，那么會(huì)調(diào)用workQueue.take()進(jìn)行阻塞；

• 如果在判斷當(dāng)前線程池狀態(tài)是RUNNING后，這時(shí)調(diào)用了shutdown方法把狀態(tài)改為了SHUTDOWN，這時(shí)如果不進(jìn)行中斷，那么當(dāng)前的工作線程在調(diào)用了workQueue.take()后會(huì)一直阻塞而不會(huì)被銷毀，因?yàn)樵赟HUTDOWN狀態(tài)下不允許再有新的任務(wù)添加到workQueue中，這樣一來線程池永遠(yuǎn)都關(guān)閉不了了；

• 由上可知，shutdown方法與getTask方法（從隊(duì)列中獲取任務(wù)時(shí)）存在競(jìng)態(tài)條件；

• 解決這一問題就需要用到線程的中斷，也就是為什么要用interruptIdleWorkers方法。在調(diào)用workQueue.take()時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前線程在執(zhí)行之前或者執(zhí)行期間是中斷狀態(tài)，則會(huì)拋出InterruptedException，解除阻塞的狀態(tài)；

• 但是要中斷工作線程，還要判斷工作線程是否是空閑的，如果工作線程正在處理任務(wù)，就不應(yīng)該發(fā)生中斷；

• 所以Worker繼承自AQS，在工作線程處理任務(wù)時(shí)會(huì)進(jìn)行l(wèi)ock，interruptIdleWorkers在進(jìn)行中斷時(shí)會(huì)使用tryLock來判斷該工作線程是否正在處理任務(wù)，如果tryLock返回true，說明該工作線程當(dāng)前未執(zhí)行任務(wù)，這時(shí)才可以被中斷。

interruptIdleWorkers方法

shutdownNow方法

1. 設(shè)置狀態(tài)為STOP；

2. 中斷所有工作線程，無論是否是空閑的；

3. 取出阻塞隊(duì)列中沒有被執(zhí)行的任務(wù)并返回。

線程池的監(jiān)控

• getTaskCount：線程池已經(jīng)執(zhí)行的和未執(zhí)行的任務(wù)總數(shù)；

• getCompletedTaskCount：線程池已完成的任務(wù)數(shù)量，該值小于等于taskCount；

• getLargestPoolSize：線程池曾經(jīng)創(chuàng)建過的最大線程數(shù)量。通過這個(gè)數(shù)據(jù)可以知道線程池是否滿過，也就是達(dá)到了maximumPoolSize；

• getPoolSize：線程池當(dāng)前的線程數(shù)量；

• getActiveCount：當(dāng)前線程池中正在執(zhí)行任務(wù)的線程數(shù)量。

總結(jié)

• 分析了線程的創(chuàng)建，任務(wù)的提交，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及線程池的關(guān)閉；

• 這里通過execute方法來展開線程池的工作流程，execute方法通過corePoolSize，maximumPoolSize以及阻塞隊(duì)列的大小來判斷決定傳入的任務(wù)應(yīng)該被立即執(zhí)行，還是應(yīng)該添加到阻塞隊(duì)列中，還是應(yīng)該拒絕任務(wù)。

• 介紹了線程池關(guān)閉時(shí)的過程，也分析了shutdown方法與getTask方法存在競(jìng)態(tài)條件；

• 在獲取任務(wù)時(shí)，要通過線程池的狀態(tài)來判斷應(yīng)該結(jié)束工作線程還是阻塞線程等待新的任務(wù)，也解釋了為什么關(guān)閉線程池時(shí)要中斷工作線程以及為什么每一個(gè)worker都需要lock。

在向線程池提交任務(wù)時(shí)，除了execute方法，還有一個(gè)submit方法，submit方法會(huì)返回一個(gè)Future對(duì)象用于獲取返回值，有關(guān)Future和Callable請(qǐng)自行了解一下相關(guān)的文章，這里就不介紹了。