浅析Java的线程池：介绍、优势、设计思路（类比工厂）、参数介绍、任务队列、4种拒绝策略、5种状态

2023-07-30 22:54:46

一、线程池介绍

　　我们知道，线程的创建和销毁都需要映射到操作系统，因此其代价是比较高昂的。出于避免频繁创建、销毁线程以及方便线程管理的需要，线程池应运而生。

1、线程池优势

（1）降低资源消耗：线程池通常会维护一些线程（数量为 corePoolSize），这些线程被重复使用来执行不同的任务，任务完成后不会销毁。在待处理任务量很大的时候，通过对线程资源的复用，避免了线程的频繁创建与销毁，从而降低了系统资源消耗。

（2）提高响应速度：由于线程池维护了一批 alive 状态的线程，当任务到达时，不需要再创建线程，而是直接由这些线程去执行任务，从而减少了任务的等待时间。

（3）提高线程的可管理性：使用线程池可以对线程进行统一的分配，调优和监控。

2、线程池设计思路

　　有句话叫做艺术来源于生活，编程语言也是如此，很多设计思想能映射到日常生活中，比如面向对象思想、封装、继承，等等。今天我们要说的线程池，它同样可以在现实世界找到对应的实体——工厂。先假想一个工厂的生产流程：

　　工厂中有固定的一批工人，称为正式工人，工厂接收的订单由这些工人去完成。当订单增加，正式工人已经忙不过来了，工厂会将生产原料暂时堆积在仓库中，等有空闲的工人时再处理（因为工人空闲了也不会主动处理仓库中的生产任务，所以需要调度员实时调度）。仓库堆积满了后，订单还在增加怎么办？工厂只能临时扩招一批工人来应对生产高峰，而这批工人高峰结束后是要清退的，所以称为临时工。当时临时工也以招满后（受限于工位限制，临时工数量有上限），后面的订单只能忍痛拒绝了。

　　我们做如下一番映射：

工厂——线程池
订单——任务（Runnable）
正式工人——核心线程
临时工——普通线程
仓库——任务队列
调度员——getTask() —— 一个方法，将任务队列中的任务调度给空闲线程，在解读线程池有详细介绍

　　映射后，形成线程池流程图如下，两者是不是有异曲同工之妙？

　　这样，线程池的工作原理或者说流程就很好理解了，提炼成一个简图：

二、深入线程池

　　那么接下来，问题来了，线程池是具体如何实现这套工作机制的呢？从Java线程池 Executor 框架体系可以看出：线程池的真正实现类是ThreadPoolExecutor，因此我们接下来重点研究这个类。

1、构造方法 —— 研究一个类，先从它的构造方法开始。ThreadPoolExecutor提供了4个有参构造方法：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

　　解释一下构造方法中涉及到的参数：

（1）corePoolSize（必需）：核心线程数。即池中一直保持存活的线程数，即使这些线程处于空闲。但是将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后，核心线程处于空闲一段时间以上，也会被回收。
（2）maximumPoolSize（必需）：池中允许的最大线程数。当核心线程全部繁忙且任务队列打满之后，线程池会临时追加线程，直到总线程数达到maximumPoolSize这个上限。
（3）keepAliveTime（必需）：线程空闲超时时间。当非核心线程处于空闲状态的时间超过这个时间后，该线程将被回收。将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后，核心线程也会被回收。
（4）unit（必需）：keepAliveTime参数的时间单位。有：TimeUnit.DAYS（天）、TimeUnit.HOURS（小时）、TimeUnit.MINUTES（分钟）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.MICROSECONDS（微秒）、TimeUnit.NANOSECONDS（纳秒）
（5）workQueue（必需）：任务队列，采用阻塞队列实现。当核心线程全部繁忙时，后续由execute方法提交的Runnable将存放在任务队列中，等待被线程处理。
（6）threadFactory（可选）：线程工厂。指定线程池创建线程的方式。
（7）handler（可选）：拒绝策略。当线程池中线程数达到maximumPoolSize且workQueue打满时，后续提交的任务将被拒绝，handler可以指定用什么方式拒绝任务。

　　放到一起再看一下：

2、任务队列

　　使用ThreadPoolExecutor需要指定一个实现了BlockingQueue接口的任务等待队列。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中，一共推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue；

（1）SynchronousQueue：同步队列。这是一个内部没有任何容量的阻塞队列，任何一次插入操作的元素都要等待相对的删除/读取操作，否则进行插入操作的线程就要一直等待，反之亦然。
（2）LinkedBlockingQueue：*队列（严格来说并非*，上限是Integer.MAX_VALUE），基于链表结构。使用*队列后，当核心线程都繁忙时，后续任务可以无限加入队列，因此线程池中线程数不会超过核心线程数。这种队列可以提高线程池吞吐量，但代价是牺牲内存空间，甚至会导致内存溢出。另外，使用它时可以指定容量，这样它也就是一种有界队列了。
（3）ArrayBlockingQueue：有界队列，基于数组实现。在线程池初始化时，指定队列的容量，后续无法再调整。这种有界队列有利于防止资源耗尽，但可能更难调整和控制。
　　另外，Java还提供了另外4种队列：

（1）PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的*阻塞队列。存放在PriorityBlockingQueue中的元素必须实现Comparable接口，这样才能通过实现compareTo()方法进行排序。优先级最高的元素将始终排在队列的头部；PriorityBlockingQueue不会保证优先级一样的元素的排序，也不保证当前队列中除了优先级最高的元素以外的元素，随时处于正确排序的位置。
（2）DelayQueue：延迟队列。基于二叉堆实现，同时具备：*队列、阻塞队列、优先队列的特征。DelayQueue延迟队列中存放的对象，必须是实现Delayed接口的类对象。通过执行时延从队列中提取任务，时间没到任务取不出来。更多内容请见DelayQueue。
（3）LinkedBlockingDeque：双端队列。基于链表实现，既可以从尾部插入/取出元素，还可以从头部插入元素/取出元素。
（4）LinkedTransferQueue：由链表结构组成的*阻塞队列。这个队列比较特别的时，采用一种预占模式，意思就是消费者线程取元素时，如果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，那就生成一个节点（节点元素为null）入队，然后消费者线程被等待在这个节点上，后面生产者线程入队时发现有一个元素为null的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素。

3、拒绝策略

　　线程池有一个重要的机制：拒绝策略。当线程池workQueue已满且无法再创建新线程池时，就要拒绝后续任务了。拒绝策略需要实现RejectedExecutionHandler接口，不过Executors框架已经为我们实现了4种拒绝策略：

（1）AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常 —— 不执行新任务，直接抛出异常，提示线程池已满
（2）CallerRunsPolicy：直接运行这个任务的run方法，但并非是由线程池的线程处理，而是交由任务的调用线程处理 —— 直接调用execute来执行当前任务
（3）DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出任何异常 —— 不执行新任务，也不抛出异常
（4）DiscardOldestPolicy：将当前处于等待队列列头的等待任务强行取出，然后再试图将当前被拒绝的任务提交到线程池执行 —— 将消息队列中的第一个任务替换为当前新进来的任务执行

4、线程池状态 —— 线程池有5种状态：

volatile int runState;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

　　runState表示当前线程池的状态，它是一个 volatile 变量用来保证线程之间的可见性。下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值，有以下几个状态：

（1）RUNNING：当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；
（2）SHUTDOWN：如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
（3）STOP：如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
（4）TERMINATED：当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。

　　更多详细线程池内容，详见这个大佬写的博客，很详细：深入Java线程池：从设计思想到源码解读 —— https://blog.csdn.net/mu_wind/article/details/113806680

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