一文弄懂Java中執行緒池原理

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時間 2023-03-24 00:15:05

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在工作中，我們經常使用執行緒池，但是你真的瞭解執行緒池的原理嗎？同時，執行緒池工作原理和底層實現原理也是面試經常問的考題，所以，今天我們一起聊聊執行緒池的原理吧。

為什麼要用執行緒池

使用執行緒池主要有以下三個原因：

  1. 降低資源消耗。通過重複利用已建立的執行緒降低執行緒建立和銷燬造成的消耗。
  2. 提升響應速度。當任務到達時，任務可以不需要等到執行緒建立就能立即執行。
  3. 可以對執行緒做統一管理。執行緒是稀缺資源，如果無限制地建立，不僅會消耗系統資源，還會降低系統穩定性，使用執行緒池可以進行統一分配、調優和監控。

執行緒池的原理

Java中的執行緒池頂層介面是Executor介面，ThreadPoolExecutor是這個介面的實現類。

我們先看看ThreadPoolExecutor類。

ThreadPoolExecutor提供的構造方法

java // 七個引數的建構函式 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)

我們先看看這些引數是什麼意思：

  • int corePoolSize：該執行緒池中核心執行緒數最大值

核心執行緒：執行緒池中有兩類執行緒，核心執行緒和非核心執行緒。核心執行緒預設情況下會一直存在於執行緒池中，即使這個核心執行緒什麼都不幹（鐵飯碗），而非核心執行緒如果長時間的閒置，就會被銷燬（臨時工）。

  • int maximumPoolSize：該執行緒池中執行緒總數最大值 。

該值等於核心執行緒數量 + 非核心執行緒數量。

  • long keepAliveTime：非核心執行緒閒置超時時長。

非核心執行緒如果處於閒置狀態超過該值，就會被銷燬。如果設定allowCoreThreadTimeOut(true)，則會也作用於核心執行緒。

  • TimeUnit unit：keepAliveTime的單位。

TimeUnit是一個列舉型別。

  • BlockingQueue workQueue：阻塞佇列，維護著等待執行的Runnable任務物件。

常用的幾個阻塞佇列：

  1. LinkedBlockingQueue：鏈式阻塞佇列，底層資料結構是連結串列，預設大小是Integer.MAX_VALUE，也可以指定大小。

  2. ArrayBlockingQueue：陣列阻塞佇列，底層資料結構是陣列，需要指定佇列的大小。

  3. SynchronousQueue：同步佇列，內部容量為0，每個put操作必須等待一個take操作，反之亦然。

  4. DelayQueue：延遲佇列，該佇列中的元素只有當其指定的延遲時間到了，才能夠從佇列中獲取到該元素 。

  5. ThreadFactory threadFactory

建立執行緒的工廠 ，用於批量建立執行緒，統一在建立執行緒時設定一些引數，如是否守護執行緒、執行緒的優先順序等。如果不指定，會新建一個預設的執行緒工廠。

```java static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory { // 省略屬性 // 建構函式 DefaultThreadFactory() { SecurityManager s = System.getSecurityManager(); group = (s != null) ? s.getThreadGroup() : Thread.currentThread().getThreadGroup(); namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-"; }

// 省略

} ```

  • RejectedExecutionHandler handler

拒絕處理策略，執行緒數量大於最大執行緒數就會採用拒絕處理策略，四種拒絕處理的策略為 ：

  1. ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：預設拒絕處理策略，丟棄任務並丟擲RejectedExecutionException異常。
  2. ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丟棄新來的任務，但是不丟擲異常。
  3. ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄佇列頭部（最舊的）的任務，然後重新嘗試執行程式（如果再次失敗，重複此過程）。
  4. ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由呼叫執行緒處理該任務。

ThreadPoolExecutor的策略

執行緒池本身有一個排程執行緒，這個執行緒就是用於管理布控整個執行緒池裡的各種任務和事務，例如建立執行緒、銷燬執行緒、任務佇列管理、執行緒佇列管理等等。

故執行緒池也有自己的狀態。ThreadPoolExecutor類中使用了一些final int常量變數來表示執行緒池的狀態 ，分別為RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING 、TERMINATED。

java // 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;

  • 執行緒池建立後處於RUNNING狀態。

  • 呼叫shutdown()方法後處於SHUTDOWN狀態，執行緒池不能接受新的任務，清除一些空閒worker,不會等待阻塞佇列的任務完成。

  • 呼叫shutdownNow()方法後處於STOP狀態，執行緒池不能接受新的任務，中斷所有執行緒，阻塞佇列中沒有被執行的任務全部丟棄。此時，poolsize=0,阻塞佇列的size也為0。

  • 當所有的任務已終止，ctl記錄的”任務數量”為0，執行緒池會變為TIDYING狀態。接著會執行terminated()函式。

  • 執行緒池處在TIDYING狀態時，執行完terminated()方法之後，就會由 TIDYING -> TERMINATED， 執行緒池被設定為TERMINATED狀態。

執行緒池主要的任務處理流程

處理任務的核心方法是execute，我們看看 JDK 1.8 原始碼中ThreadPoolExecutor是如何處理執行緒任務的：

java // JDK 1.8 public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); // 1.當前執行緒數小於corePoolSize,則呼叫addWorker建立核心執行緒執行任務 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } // 2.如果不小於corePoolSize，則將任務新增到workQueue佇列。 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); // 2.1 如果isRunning返回false(狀態檢查)，則remove這個任務，然後執行拒絕策略。 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); // 2.2 執行緒池處於running狀態，但是沒有執行緒，則建立執行緒 else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } // 3.如果放入workQueue失敗，則建立非核心執行緒執行任務， // 如果這時建立非核心執行緒失敗(當前執行緒總數不小於maximumPoolSize時)，就會執行拒絕策略。 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }

ctl.get()是獲取執行緒池狀態，用int型別表示。第二步中，入隊前進行了一次isRunning判斷，入隊之後，又進行了一次isRunning判斷。

為什麼要二次檢查執行緒池的狀態?

在多執行緒的環境下，執行緒池的狀態是時刻發生變化的。很有可能剛獲取執行緒池狀態後執行緒池狀態就改變了。判斷是否將command加入workqueue是執行緒池之前的狀態。倘若沒有二次檢查，萬一執行緒池處於非RUNNING狀態（在多執行緒環境下很有可能發生），那麼command永遠不會執行。

總結一下處理流程

  1. 執行緒總數量 < corePoolSize，無論執行緒是否空閒，都會新建一個核心執行緒執行任務（讓核心執行緒數量快速達到corePoolSize，在核心執行緒數量 < corePoolSize時）。注意，這一步需要獲得全域性鎖。
  2. 執行緒總數量 >= corePoolSize時，新來的執行緒任務會進入任務佇列中等待，然後空閒的核心執行緒會依次去快取佇列中取任務來執行（體現了執行緒複用）。
  3. 當快取佇列滿了，說明這個時候任務已經多到爆棚，需要一些“臨時工”來執行這些任務了。於是會建立非核心執行緒去執行這個任務。注意，這一步需要獲得全域性鎖。
  4. 快取佇列滿了， 且匯流排程數達到了maximumPoolSize，則會採取上面提到的拒絕策略進行處理。

整個過程如圖所示：

image.png

ThreadPoolExecutor如何做到執行緒複用的？

我們知道，一個執行緒在建立的時候會指定一個執行緒任務，當執行完這個執行緒任務之後，執行緒自動銷燬。但是執行緒池卻可以複用執行緒，即一個執行緒執行完執行緒任務後不銷燬，繼續執行另外的執行緒任務。那麼，執行緒池如何做到執行緒複用呢？

原來，ThreadPoolExecutor在建立執行緒時，會將執行緒封裝成工作執行緒worker,並放入工作執行緒組中，然後這個worker反覆從阻塞佇列中拿任務去執行。

這裡的addWorker方法是在上面提到的execute方法裡面呼叫的，先看看上半部分：

```java // ThreadPoolExecutor.addWorker方法原始碼上半部分 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c);

    // Check if queue empty only if necessary.
    if (rs >= SHUTDOWN &&
        ! (rs == SHUTDOWN &&
           firstTask == null &&
           ! workQueue.isEmpty()))
        return false;

    for (;;) {
        int wc = workerCountOf(c);
        if (wc >= CAPACITY ||
            // 1.如果core是ture,證明需要建立的執行緒為核心執行緒，則先判斷當前執行緒是否大於核心執行緒
            // 如果core是false,證明需要建立的是非核心執行緒，則先判斷當前執行緒數是否大於匯流排程數
            // 如果不小於，則返回false
            wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
            return false;
        if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
            break retry;
        c = ctl.get();  // Re-read ctl
        if (runStateOf(c) != rs)
            continue retry;
        // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
    }
}

```

上半部分主要是判斷執行緒數量是否超出閾值，超過了就返回false。我們繼續看下半部分:

```java // ThreadPoolExecutor.addWorker方法原始碼下半部分 boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { // 1.建立一個worker物件 w = new Worker(firstTask); // 2.例項化一個Thread物件 final Thread t = w.thread; if (t != null) { // 3.執行緒池全域性鎖 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { // Recheck while holding lock. // Back out on ThreadFactory failure or if // shut down before lock acquired. int rs = runStateOf(ctl.get());

            if (rs < SHUTDOWN ||
                (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                    throw new IllegalThreadStateException();
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                if (s > largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                workerAdded = true;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (workerAdded) {
            // 4.啟動這個執行緒
            t.start();
            workerStarted = true;
        }
    }
} finally {
    if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;

} ```

建立worker物件，並初始化一個Thread物件，然後啟動這個執行緒物件。

我們接著看看Worker類，僅展示部分原始碼：

```java // Worker類部分原始碼 private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{ final Thread thread; Runnable firstTask;

Worker(Runnable firstTask) {
    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
    this.firstTask = firstTask;
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

public void run() {
        runWorker(this);
}
//其餘程式碼略...

} ```

Worker類實現了Runnable介面，所以Worker也是一個執行緒任務。在構造方法中，建立了一個執行緒，執行緒的任務就是自己。故addWorker方法呼叫addWorker方法原始碼下半部分中的第4步t.start，會觸發Worker類的run方法被JVM呼叫。

我們再看看runWorker的邏輯：

java // Worker.runWorker方法原始碼 final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; // 1.執行緒啟動之後，通過unlock方法釋放鎖 w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { // 2.Worker執行firstTask或從workQueue中獲取任務，如果getTask方法不返回null,迴圈不退出 while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 2.1進行加鎖操作，保證thread不被其他執行緒中斷（除非執行緒池被中斷） w.lock(); // If pool is stopping, ensure thread is interrupted; // if not, ensure thread is not interrupted. This // requires a recheck in second case to deal with // shutdownNow race while clearing interrupt // 2.2檢查執行緒池狀態，倘若執行緒池處於中斷狀態，當前執行緒將中斷。 if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { // 2.3執行beforeExecute beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { // 2.4執行任務 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 { // 2.5執行afterExecute方法 afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; w.completedTasks++; // 2.6解鎖操作 w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }

首先去執行建立這個worker時就有的任務，當執行完這個任務後，worker的生命週期並沒有結束，在while迴圈中，worker會不斷地呼叫getTask方法從阻塞佇列中獲取任務然後呼叫task.run()執行任務,從而達到複用執行緒的目的。只要getTask方法不返回null,此執行緒就不會退出。

當然，核心執行緒池中建立的執行緒想要拿到阻塞佇列中的任務，先要判斷執行緒池的狀態，如果STOP或者TERMINATED，返回null。

最後看看getTask方法的實現:

```java // Worker.getTask方法原始碼 private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

for (;;) {
    int c = ctl.get();
    int rs = runStateOf(c);

    // Check if queue empty only if necessary.
    if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
        decrementWorkerCount();
        return null;
    }

    int wc = workerCountOf(c);

    // Are workers subject to culling?
    // 1.allowCoreThreadTimeOut變數預設是false,核心執行緒即使空閒也不會被銷燬
    // 如果為true,核心執行緒在keepAliveTime內仍空閒則會被銷燬。 
    boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
    // 2.如果執行執行緒數超過了最大執行緒數，但是快取佇列已經空了，這時遞減worker數量。

// 如果有設定允許執行緒超時或者執行緒數量超過了核心執行緒數量， // 並且執行緒在規定時間內均未poll到任務且佇列為空則遞減worker數量 if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; }

    try {
        // 3.如果timed為true(想想哪些情況下timed為true),則會呼叫workQueue的poll方法獲取任務.
        // 超時時間是keepAliveTime。如果超過keepAliveTime時長，
        // poll返回了null，上邊提到的while循序就會退出，執行緒也就執行完了。
        // 如果timed為false（allowCoreThreadTimeOut為false
        // 且wc > corePoolSize為false），則會呼叫workQueue的take方法阻塞在當前。
        // 佇列中有任務加入時，執行緒被喚醒，take方法返回任務，並執行。
        Runnable r = timed ?
            workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
            workQueue.take();
        if (r != null)
            return r;
        timedOut = true;
    } catch (InterruptedException retry) {
        timedOut = false;
    }
}

} ```

核心執行緒的會一直卡在workQueue.take方法，被阻塞並掛起，不會佔用CPU資源，直到拿到Runnable 然後返回（當然如果allowCoreThreadTimeOut設定為true,那麼核心執行緒就會去呼叫poll方法，因為poll可能會返回null,所以這時候核心執行緒滿足超時條件也會被銷燬）。

非核心執行緒會workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) ，如果超時還沒有拿到，下一次迴圈判斷compareAndDecrementWorkerCount就會返回null,Worker物件的run()方法迴圈體的判斷為null,任務結束，然後執行緒被系統回收 。

四種常見的執行緒池

Executors類中提供的幾個靜態方法來建立執行緒池。

newCachedThreadPool

java public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>()); }

CacheThreadPool的執行流程如下：

  1. 提交任務進執行緒池。
  2. 因為corePoolSize為0的關係，不建立核心執行緒，執行緒池最大為Integer.MAX_VALUE。
  3. 嘗試將任務新增到SynchronousQueue佇列。
  4. 如果SynchronousQueue入列成功，等待被當前執行的執行緒空閒後拉取執行。如果當前沒有空閒執行緒，那麼就建立一個非核心執行緒，然後從SynchronousQueue拉取任務並在當前執行緒執行。
  5. 如果SynchronousQueue已有任務在等待，入列操作將會阻塞。

當需要執行很多短時間的任務時，CacheThreadPool的執行緒複用率比較高， 會顯著的提高效能。而且執行緒60s後會回收，意味著即使沒有任務進來，CacheThreadPool並不會佔用很多資源。

newFixedThreadPool

java public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); }

核心執行緒數量和匯流排程數量相等，都是傳入的引數nThreads，所以只能建立核心執行緒，不能建立非核心執行緒。因為LinkedBlockingQueue的預設大小是Integer.MAX_VALUE，故如果核心執行緒空閒，則交給核心執行緒處理；如果核心執行緒不空閒，則入列等待，直到核心執行緒空閒。

與CachedThreadPool的區別：

  • 因為 corePoolSize == maximumPoolSize ，所以FixedThreadPool只會建立核心執行緒。 而CachedThreadPool因為corePoolSize=0，所以只會建立非核心執行緒。
  • 在 getTask() 方法，如果佇列裡沒有任務可取，執行緒會一直阻塞在 LinkedBlockingQueue.take() ，執行緒不會被回收。 CachedThreadPool會在60s後收回。
  • 由於執行緒不會被回收，會一直卡在阻塞，所以沒有任務的情況下， FixedThreadPool佔用資源更多。
  • 都幾乎不會觸發拒絕策略，但是原理不同。FixedThreadPool是因為阻塞佇列可以很大（最大為Integer最大值），故幾乎不會觸發拒絕策略；CachedThreadPool是因為執行緒池很大（最大為Integer最大值），幾乎不會導致執行緒數量大於最大執行緒數，故幾乎不會觸發拒絕策略。

newSingleThreadExecutor

java public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); }

有且僅有一個核心執行緒（ corePoolSize == maximumPoolSize=1），使用了LinkedBlockingQueue（容量很大），所以，不會建立非核心執行緒。所有任務按照先來先執行的順序執行。如果這個唯一的執行緒不空閒，那麼新來的任務會儲存在任務佇列裡等待執行。

newScheduledThreadPool

建立一個定長執行緒池，支援定時及週期性任務執行。

```java public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); }

//ScheduledThreadPoolExecutor(): public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) { super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS, new DelayedWorkQueue()); } ```

四種常見的執行緒池基本夠我們使用了，但是《阿里巴巴開發手冊》不建議我們直接使用Executors類中的執行緒池，而是通過ThreadPoolExecutor的方式，這樣的處理方式讓寫的同學需要更加明確執行緒池的執行規則，規避資源耗盡的風險。

但如果你及團隊本身對執行緒池非常熟悉，又確定業務規模不會大到資源耗盡的程度（比如執行緒數量或任務佇列長度可能達到Integer.MAX_VALUE）時，其實是可以使用JDK提供的這幾個介面的，它能讓我們的程式碼具有更強的可讀性。

小結

在工作中，很多人因為不瞭解執行緒池的實現原理，把執行緒池配置錯誤，從而導致各種問題。希望你們閱讀完本文，能夠學會合理的使用執行緒池。

對於真正想弄懂java併發程式設計的小夥伴，網上的文章還有視訊缺乏系統性，我建議大家還是買點書籍看看，我推薦兩本我看過的書。

《Java併發程式設計實戰》：這本書深入淺出地介紹了Java執行緒和併發，是一本非常棒的Java併發參考手冊。

《Java併發程式設計藝術》：Java併發程式設計的概念本來就比較複雜，我們需要的是一本能夠把原理解釋清楚的書籍，而這本《Java併發程式設計的藝術》書是國內作者寫的Java併發書籍，剛好就比上面那一本更簡單易懂，至少我自己看下來是這樣的感覺。

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