从入门到精通：Java线程池原理 3W 字长文全面指南-灵析社区

前言

• 大家好，我是 Lorin。随着计算机行业的飞速发展，摩尔定律逐渐失效，多核CPU成为主流。使用多线程并行计算逐渐成为开发人员提升服务器性能的基本武器。J.U.C提供的线程池：ThreadPoolExecutor类，帮助开发人员管理线程并方便地执行并行任务。
• 本文从线程池概念和用途开始介绍，然后接着结合线程池的源码，领略线程池的设计思路，最后结合实践介绍线程使用的一些常见案例以及线程池参数配置难题引出动态线程池。无论您是一个经验丰富的Java开发者，还是刚刚起步的新手，我相信您都将从本文中获得有价值的信息和见解。

线程池是什么

• 线程池是一种并发编程的工具，它管理和复用线程，以便更有效地执行多个任务。线程池维护一组可用线程，任务到达时将其分配给这些线程，执行完成后线程可以被重新用于执行其他任务。线程池的主要目标是减少线程的创建和销毁开销，提高系统的性能和稳定性。

线程池解决的问题和带来的好处

降低资源消耗，提高响应速度

• 通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
• 任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行，提高响应速度。

提高线程的可管理性，保证系统的稳定性

• 线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

提供更多更强大的功能

• 线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，允许任务延期执行或定期执行。

核心设计与实现

• 线程池是一种通过“池化”思想，帮助我们管理线程而获取并发性的工具，在Java中的体现是ThreadPoolExecutor类。下面我们来看一下它的核心设计与具体实现。
• 源码JDK版本：1.8

ThreadPoolExecutor UML类图

• ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor，顶层接口Executor提供了一种思想：将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程，如何调度线程来执行任务，用户只需提供Runnable对象，将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中，由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分。
• ExecutorService接口增加了一些能力：（1）扩充执行任务的能力，补充可以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则是上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。
• 最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分，ThreadPoolExecutor将会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，使两者良好的结合从而执行并行任务。

ThreadPoolExecutor 状态

• 线程池的状态并不是由用户显示维护，而是伴随线程池运行由内部进行维护，线程池内部使用一个变量维护两个值：运行状态(runState)和线程数量 (workerCount)。
• 在具体实现中，线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护放在了一起（使用原子操作保证读取和修改线程安全，而不使用额外的锁），如下代码所示：

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

    // 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;

运行状态

• 从上面我们可以知道，线程池共有 5 种状态：

运行状态转换

ThreadPoolExecutor 运行机制

• 我们先看一下 ThreadPoolExecutor 的整体运行机制，可以发现整体分为任务调度和 Worker 线程管理两大部分：

任务调度

• 从上面可以看出，当我们提交一个可运行任务时，我们会进行任务调度，任务调度逻辑如下：

1、当线程数小于核心线程数，创建新线程执行任务
2、当线程数大于等于核心线程数，尝试将任务放入阻塞队列
3、若放入阻塞队列失败
判断线程数是否小于最大线程数，若是，创建一个线程执行该任务，否则拒绝任务
4、若放入阻塞队列成功，结束

源码分析

    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        /*
         * Proceed in 3 steps:
         *
         * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
         * start a new thread with the given command as its first
         * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
         * workerCount, and so prevents false alarms that would add
         * threads when it shouldn't, by returning false.
         *
         * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
         * to double-check whether we should have added a thread
         * (because existing ones died since last checking) or that
         * the pool shut down since entry into this method. So we
         * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
         * stopped, or start a new thread if there are none.
         *
         * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
         * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
         * and so reject the task.
         */
        int c = ctl.get();
        // 当前线程小于核心线程 创建新核心线程执行该任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 线程数大于等于核心线程 尝试放入阻塞队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            // 双重校验 the pool shut down since entry into this method
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            // 核心线程数为0 非核心线程刚好回收若不创建线程任务无法执行
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 线程数大于等于核心线程 放入队列失败 尝试创建非核心线程
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

任务缓冲

• 线程池的本质是使用解耦的思想将任务和线程管理分开，从而使用生产者-消费者的模式来对任务进行调度分配。
• 线程池通过阻塞队列实现生产者-消费者，在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

• 同时支持不同的阻塞队列来实现不同存取策略：

任务拒绝策略

• 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。
• JUC 提供了四种拒绝策略，我们也可以实现 RejectedExecutionHandler 接口实现自己想要的拒绝策略：

/**
 * A handler for tasks that cannot be executed by a {@link ThreadPoolExecutor}.
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public interface RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Method that may be invoked by a {@link ThreadPoolExecutor} when
     * {@link ThreadPoolExecutor#execute execute} cannot accept a
     * task.  This may occur when no more threads or queue slots are
     * available because their bounds would be exceeded, or upon
     * shutdown of the Executor.
     *
     * <p>In the absence of other alternatives, the method may throw
     * an unchecked {@link RejectedExecutionException}, which will be
     * propagated to the caller of {@code execute}.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param executor the executor attempting to execute this task
     * @throws RejectedExecutionException if there is no remedy
     */
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

Worker 线程管理

• Worker 线程管理是线程池的第二个核心部分，主要负责 Worker 创建、Worker 执行（获取任务、执行任务）、Worker 回收三部分主要功能。
• 先看一下 Worker 的结构：

    private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
        /**
         * This class will never be serialized, but we provide a
         * serialVersionUID to suppress a javac warning.
         */
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

        /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
        final Thread thread;
        /** Initial task to run.  Possibly null. */
        Runnable firstTask;
        /** Per-thread task counter */
        volatile long completedTasks;

        /**
         * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
         * @param firstTask the first task (null if none)
         */
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

        /** Delegates main run loop to outer runWorker  */
        public void run() {
            // Worker 执行逻辑：任务获取、执行
            runWorker(this);
        }

添加 Worker

• 线程池任务调度和线程池自适应状态调整过程中会使用 addWorker() 方法尝试添加 Worker。

源码解析

    // java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker
    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 ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    // WorkerCount CAS +1 成功 跳出循环进行 Worker 创建
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    // runState 发生变更 跳出循环重新判断状态进入
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change;
                // 重新获取 workerCount 循环
                retry inner loop
            }
        }

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            // 创建 Worker
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                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)
                            // 更新 largestPoolSize
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    // workerAdded success & start
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                // 线程池关闭 addWorkerFailed 处理逻辑
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

    /**
     * Rolls back the worker thread creation.
     * - removes worker from workers, if present
     * - decrements worker count
     * - rechecks for termination, in case the existence of this
     *   worker was holding up termination
     */
    private void addWorkerFailed(Worker w) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (w != null)
                workers.remove(w);
            decrementWorkerCount();
            tryTerminate();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
    }

Woker 执行（获取任务、执行任务）

• 通过自循环的方式不断获取阻塞队列的任务并执行任务。
• 当获取任务失败会进入 Woker 回收流程。

源码分析

    // java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker
    final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        // 是否存在 firstTask 需要执行
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        // worker died due to user exception
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            // 存在 firstTask 或 从阻塞队列获取成功则继续执行
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                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
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        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 {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            // 非用户异常退出： 阻塞队列为空退出
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            // worker 退出处理逻辑
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

    private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }

        // tryTerminate 尝试调整线程池状态
        tryTerminate();

        int c = ctl.get();
        // 如果线程池小于 STOP 状态
        // 说明还可能继续执行任务
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {
            // 任务阻塞队列为空退出
            if (!completedAbruptly) {
                // 核心线程是否需要过期回收 默认不回收
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                // 若核心线程会被回收 & 任务阻塞队列不为空 则至少保留一个线程
                if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                // 满足核心线程数要求则直接退出
                if (workerCountOf(c) >= min)
                    return; // replacement not needed
            }
            // 用户异常退出或不满足核心线程数要求创建一个新 Worker
            addWorker(null, false);
        }
    }

    // 从阻塞队列获取任务
    // getTask 一般会正常获取任务返回，当返回null会导致当前 Worker 销毁退出，有以下几种场景会返回null:
    // 1、线程池处于STOP状态。这种情况下所有线程都应该被立即回收销毁；
    // 2、线程池处于SHUTDOWN状态，且阻塞队列为空。不会有任务再提交到阻塞队列中。
    // 3、当前线程数大于最大线程数（最大线程数调整）
    // 4、线程空闲超时被回收：线程数大于核心线程数超时回收或核心线程允许超时回收
    private Runnable getTask() {
        // 标志 Worker 是否空闲过期 初始化为未过期
        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.
            // 如果线程池已经关闭 则直接返回 null
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }

            int wc = workerCountOf(c);

            // Are workers subject to culling?
            // 如果核心线程允许过期或大于核心线程数，则进行 Woker 过期处理
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            // wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut) 返回 null
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }

            try {
                // 根据 timed 值判断是否一直阻塞等待任务还是keepAliveTime时间内阻塞
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                // Worker 空闲过期
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }

回收 Worker

• 上文我们提到 Worker 运行过程中若获取 Task 失败则会进入 Worker 回收流程。
• Worker 的回收依赖 JVM 的垃圾回收，线程池根据当前线程池状态维护一定 Worker 的引用，当 Worker 获取不到任务时，则会触发 Worker 回收流程，实际上就是消除 Woker 的引用，等待 JVM 回收。

源码分析

// java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker
try {
  while (task != null || (task = getTask()) != null) {
    // 执行任务
  }
} finally {
  // 获取不到任务时，主动回收自己
  // 源码参考上文 Worker 执行
  processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}

线程池关闭

• 线程池提供了两种关闭线程池的方法:

// 关闭线程池 不再接受任务但会将已接收任务处理完
void shutdown();

// 关闭线程池 不再接受任务且不处理阻塞队列中的任务 
// 返回阻塞队列中未处理的任务
List<Runnable> shutdownNow();

// 具体实现
// java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#shutdown
    public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            // 权限检查
            checkShutdownAccess();
            // 将线程池状态置为 SHUTDOWN
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // Interrupts threads that might be waiting for tasks (as indicated by not being locked) 
            // 不中断正在执行任务的 Worker 继续执行完阻塞队列任务
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试进入 TERMINATED 状态
        tryTerminate();
    }

// 和 shutdown() 方法逻辑基本一致
    public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 将线程池状态置为 STOP
            advanceRunState(STOP);
            // Interrupts all threads
            // 中断所有 Worker
            interruptWorkers();
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

    /**
     * Transitions to TERMINATED state if either (SHUTDOWN and pool
     * and queue empty) or (STOP and pool empty).  If otherwise
     * eligible to terminate but workerCount is nonzero, interrupts an
     * idle worker to ensure that shutdown signals propagate. This
     * method must be called following any action that might make
     * termination possible -- reducing worker count or removing tasks
     * from the queue during shutdown. The method is non-private to
     * allow access from ScheduledThreadPoolExecutor.
     */
    final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 1. 当前运行状态是 RUNNING  不设置TIDYING、TERMINATED 
            // 2. 或者 当前运行状态 处于 TIDYING 或者 TERMINATED, 那么也是暂时不设置TIDYING、TERMINATED
            // 3. 或者 就是在 SHUTDOWN ,并且存在任务需要处理,那么也是暂时不设置TIDYING、TERMINATED
            // 4. 否则 就是STOP，那么需要往下走
            if (isRunning(c) ||
                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
                return;
            // 执行到这里 说明处于 STOP 状态, 但是还存在工作线程没处理完，帮忙中断线程
            // 如果线程数量不为0，则中断一个空闲的工作线程（把中断状态传播出去）
            if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }

            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                    try {
                        // 拓展点 由子类实现
                        terminated();
                    } finally {
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // else retry on failed CAS
        }
    }

线程池实践案例

快速响应用户请求

• 用户发起查询请求，追求快速响应，比如查询商品信息，需要查询商品价格、优惠、图片等。
• 如果使用串联查询，那么时间将会花费很长时间，我们可以使用线程池进行并发IO，这种场景对实时要求较高，因此一般设置更多的线程执行，避免任务阻塞延迟，极大的提高响应时间。

离线大数据量并行计算

• 在一些大数据量的离线计算中，比如需要计算全球商品每年的报表信息，这类任务对实时性要求不高，但计算量大，因此可以设置合适的线程数来处理任务，并设置合理的阻塞队列来缓存待执行的任务。

经典问题：如何合理配置线程池参数

• 线程池使用中最大的一个难点是：“如何合理的配置线程池参数”，一方面依赖于任务本身的特性：如 IO 密集性任务或 CPU 密集型任务，另一方面依赖于开发者的使用经验。

常见配置策略

• 在高性能 MySQL 中看到内核线程推荐配置策略为：核心线程数设置为稳定时请求量值，最大线程设置为波动峰值来解决峰值问题，这是一个可以借鉴的策略，但需要考虑本身机器的性能和任务属性，否则反而会使性能下降。

动态线程池

• 尽管我们经过谨慎的探讨和计算，但最终配置的参数也不一定满足我们的要求，因此我们考虑通过动态配置的方式来动态调整我们的线程池参数。

• 而 ThreadPoolExecutor 正好提供运行时调整参数的能力：

动态线程池框架推荐