深入源碼分析Java線程池的實現原理
程序的運行，其本質上，是對系統資源(CPU、內存、磁盤、網絡等等)的使用。如何高效的使用這些資源是我們編程優化演進的一個方向。今天說的線程池就是一種對CPU利用的優化手段。
網上有不少介紹如何使用線程池的文章，那我想說點什么呢?我希望通過學習線程池原理，明白所有池化技術的基本設計思路。遇到其他相似問題可以解決。
池化技術
前面提到一個名詞——池化技術，那么到底什么是池化技術呢?
池化技術簡單點來說，就是提前保存大量的資源，以備不時之需。在機器資源有限的情況下，使用池化技術可以大大的提高資源的利用率，提升性能等。
在編程領域，比較典型的池化技術有：
線程池、連接池、內存池、對象池等。
本文主要來介紹一下其中比較簡單的線程池的實現原理，希望讀者們可以舉一反三，通過對線程池的理解，學習并掌握所有編程中池化技術的底層原理。
創建一個線程
在Java的并發編程中，線程是十分重要的，在Java中，創建一個線程比較簡單：
- public class App {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("線程運行中");
- }
- }).start();
- }
- }
我們通過創建一個線程對象，并且實現Runnable接口就可以實現一個簡單的線程。可以利用上多核CPU。當一個任務結束，當前線程就接收。
但很多時候，我們不止會執行一個任務。如果每次都是如此的創建線程->執行任務->銷毀線程，會造成很大的性能開銷。
那能否一個線程創建后，執行完一個任務后，又去執行另一個任務，而不是銷毀。這就是線程池。
這也就是池化技術的思想，通過預先創建好多個線程，放在池中，這樣可以在需要使用線程的時候直接獲取，避免多次重復創建、銷毀帶來的開銷。
線程池的簡單使用
以下代碼，是在Java中創建線程池：
- import java.util.concurrent.*;
- public class App {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
- 60L, TimeUnit.SECONDS,
- new ArrayBlockingQueue<>(10));
- executorService.execute(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("abcdefg");
- }
- });
- executorService.shutdown();
- }
- }
Jdk提供給外部的接口也很簡單。直接調用ThreadPoolExecutor構造一個就可以了，也可以通過Executors靜態工廠構建，但一般不建議。
可以看到，開發者想要在代碼中使用線程池還是比較簡單的，這得益于Java給我們封裝好的一系列API。但是，這些API的背后是什么呢，讓我們來揭開這個迷霧，看清線程池的本質。
線程池構造函數
通常，一般構造函數會反映出這個工具或這個對象的數據存儲結構。
構造函數
如果把線程池比作一個公司。公司會有正式員工處理正常業務，如果工作量大的話，會雇傭外包人員來工作。
閑時就可以釋放外包人員以減少公司管理開銷。一個公司因為成本關系，雇傭的人員始終是有***數。
如果這時候還有任務處理不過來，就走需求池排任務。
- acc : 獲取調用上下文
- corePoolSize: 核心線程數量，可以類比正式員工數量，常駐線程數量。
- maximumPoolSize: ***的線程數量，公司最多雇傭員工數量。常駐+臨時線程數量。
- workQueue：多余任務等待隊列，再多的人都處理不過來了，需要等著，在這個地方等。
- keepAliveTime：非核心線程空閑時間，就是外包人員等了多久，如果還沒有活干，解雇了。
- threadFactory: 創建線程的工廠，在這個地方可以統一處理創建的線程的屬性。每個公司對員工的要求不一樣，恩，在這里設置員工的屬性。
- handler：線程池拒絕策略，什么意思呢?就是當任務實在是太多，人也不夠，需求池也排滿了，還有任務咋辦?默認是不處理，拋出異常告訴任務提交者，我這忙不過來了。
添加一個任務
接著，我們看一下線程池中比較重要的execute方法，該方法用于向線程池中添加一個任務。
源碼
核心模塊用紅框標記了。
- ***個紅框：workerCountOf方法根據ctl的低29位，得到線程池的當前線程數，如果線程數小于corePoolSize，則執行addWorker方法創建新的線程執行任務;
- 第二個紅框：判斷線程池是否在運行，如果在，任務隊列是否允許插入，插入成功再次驗證線程池是否運行，如果不在運行，移除插入的任務，然后拋出拒絕策略。如果在運行，沒有線程了，就啟用一個線程。
- 第三個紅框：如果添加非核心線程失敗，就直接拒絕了。
這里邏輯稍微有點復雜，畫了個流程圖僅供參考
接下來，我們看看如何添加一個工作線程的?
添加worker線程
從方法execute的實現可以看出：addWorker主要負責創建新的線程并執行任務，代碼如下(這里代碼有點長，沒關系，也是分塊的，總共有5個關鍵的代碼塊)：
- ***個紅框：做是否能夠添加工作線程條件過濾：
判斷線程池的狀態，如果線程池的狀態值大于或等SHUTDOWN，則不處理提交的任務，直接返回;
- 第二個紅框：做自旋，更新創建線程數量：
通過參數core判斷當前需要創建的線程是否為核心線程，如果core為true，且當前線程數小于corePoolSize，則跳出循環，開始創建新的線程
有人或許會疑問 retry 是什么?這個是java中的goto語法。只能運用在break和continue后面。
接著看后面的代碼：
- ***個紅框：獲取線程池主鎖。
線程池的工作線程通過Woker類實現，通過ReentrantLock鎖保證線程安全。
- 第二個紅框：添加線程到workers中(線程池中)。
- 第三個紅框：啟動新建的線程。
接下來，我們看看workers是什么。
一個hashSet。所以，線程池底層的存儲結構其實就是一個HashSet。
worker線程處理隊列任務
- ***個紅框：是否是***次執行任務，或者從隊列中可以獲取到任務。
- 第二個紅框：獲取到任務后，執行任務開始前操作鉤子。
- 第三個紅框：執行任務。
- 第四個紅框：執行任務后鉤子。
這兩個鉤子(beforeExecute，afterExecute)允許我們自己繼承線程池，做任務執行前后處理。
到這里，源代碼分析到此為止。接下來做一下簡單的總結。
總結
所謂線程池本質是一個hashSet。多余的任務會放在阻塞隊列中。
只有當阻塞隊列滿了后，才會觸發非核心線程的創建。所以非核心線程只是臨時過來打雜的。直到空閑了，然后自己關閉了。
線程池提供了兩個鉤子(beforeExecute，afterExecute)給我們，我們繼承線程池，在執行任務前后做一些事情。
線程池原理關鍵技術：鎖(lock,cas)、阻塞隊列、hashSet(資源池)
***希望對你理解線程池有幫助。***，留一個思考題，為什么線程池的底層數據接口采用HashSet來實現?
本文來自作者投稿，原作者『林灣村龍貓』，Hollis做了些補充、調整及修改。
【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】
