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Java并发系列终结篇：彻底搞懂Java线程池的工作原理
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多线程并发是Java语言中非常重要的一块内容，同时，也是Java基础的一个难点。说它重要是因为多线程是日常开发中频繁用到的知识，说它难是因为多线程并发涉及到的知识点非常之多，想要完全掌握Java的并发相关知识并非易事。也正因此，Java并发成了Java面试中最高频的知识点之一。本系列文章将从Java内存模型、volatile关键字、synchronized关键字、ReetrantLock、Atomic并发类以及线程池等方面来系统的认识Java的并发知识。通过本系列文章的学习你将深入理解volatile关键字的作用，了解到synchronized实现原理、AQS和CLH队列锁，清晰的认识自旋锁、偏向锁、乐观锁、悲观锁...等等一系列让人眼花缭乱的并发知识。 多线程并发系列文章： 这一次，彻底搞懂Java内存模型与volatile关键字 这一次，彻底搞懂Java中的synchronized关键字 这一次，彻底搞懂Java中的ReentrantLock实现原理 这一次，彻底搞懂Java并发包中的Atomic原子类 深入理解Java线程的等待与唤醒机制（一） 深入理解Java线程的等待与唤醒机制（二） Java并发系列终结篇：彻底搞懂Java线程池的工作原理 Java并发系列番外篇：ThreadLocal原理其实很简单 本篇文章是多线程并发系列的最后一篇，将深入分析Java中线程池的工作原理。个人认为线程池是Java并发中比较难已理解的一块知识，因为线程池内部实现使用到了大量的像ReentrantLock、AQS、AtomicInteger、CAS以及“生产者-消费者”模型等并发相关的知识，基本上涵盖了并发系列前几篇文章的大部分知识点。这也是为什么把线程池放到最后来写的原因。本篇文章权当是一个并发系列的综合练习，刚好巩固实践一下前面知识点的运用。 开始之前先给大家推荐一下AndroidNote这个GitHub仓库，这里是我的学习笔记，同时也是我文章初稿的出处。这个仓库中汇总了大量的java进阶和Android进阶知识。是一个比较系统且全面的Android知识库。对于准备面试的同学也是一份不可多得的面试宝典，欢迎大家到GitHub的仓库主页关注。 一、线程池基础知识在Java语言中，虽然创建并启动一个线程非常方便，但是由于创建线程需要占用一定的操作系统资源，在高并发的情况下，频繁的创建和销毁线程会大量消耗CPU和内存资源，对程序性能造成很大的影响。为了避免这一问题，Java给我们提供了线程池。 线程池是一种基于池化技术思想来管理线程的工具。在线程池中维护了多个线程，由线程池统一的管理调配线程来执行任务。通过线程复用，减少了频繁创建和销毁线程的开销。 本章内容我们先来了解一下线程池的一些基础知识，学习如何使用线程池以及了解线程池的生命周期。 1.线程池的使用线程池的使用和创建可以说非常的简单，这得益于JDK提供给我们良好封装的API。线程池的实现被封装到了ThreadPoolExecutor中，我们可以通过ThreadPoolExecutor的构造方法来实例化出一个线程池，代码如下： // 实例化一个线程池 ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(3, 10, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue(20)); // 使用线程池执行一个任务 executor.execute(() -> { // Do something }); // 关闭线程池,会阻止新任务提交，但不影响已提交的任务 executor.shutdown(); // 关闭线程池，阻止新任务提交，并且中断当前正在运行的线程 executor.showdownNow();创建好线程池后直接调用execute方法并传入一个Runnable参数即可将任务交给线程池执行，通过shutdown/shutdownNow方法可以关闭线程池。 ThreadPoolExecutor的构造方法中参数众多，对于初学者而言在没有了解各个参数的作用的情况下很难去配置合适的线程池。因此Java还为我们提供了一个线程池工具类Executors来快捷的创建线程池。Executors提供了很多简便的创建线程池的方法，举两个例子，代码如下： // 实例化一个单线程的线程池 ExecutorService singleExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 创建固定线程个数的线程池 ExecutorService fixedExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 创建一个可重用固定线程数的线程池 ExecutorService executorService2 = Executors.newCachedThreadPool();但是，通常来说在实际开发中并不推荐直接使用Executors来创建线程池，而是需要根据项目实际情况配置适合自己项目的线程池，关于如何配置合适的线程池这是后话，需要我们理解线程池的各个参数以及线程池的工作原理之后才能有答案。 2.线程池的生命周期线程池从诞生到死亡，中间会经历RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED五个生命周期状态。 RUNNING 表示线程池处于运行状态，能够接受新提交的任务且能对已添加的任务进行处理。RUNNING状态是线程池的初始化状态，线程池一旦被创建就处于RUNNING状态。 SHUTDOWN 线程处于关闭状态，不接受新任务，但可以处理已添加的任务。RUNNING状态的线程池调用shutdown后会进入SHUTDOWN状态。 STOP 线程池处于停止状态，不接收任务，不处理已添加的任务，且会中断正在执行任务的线程。RUNNING状态的线程池调用了shutdownNow后会进入STOP状态。 TIDYING 当所有任务已终止，且任务数量为0时，线程池会进入TIDYING。当线程池处于SHUTDOWN状态时，阻塞队列中的任务被执行完了，且线程池中没有正在执行的任务了，状态会由SHUTDOWN变为TIDYING。当线程处于STOP状态时，线程池中没有正在执行的任务时则会由STOP变为TIDYING。 TERMINATED 线程终止状态。处于TIDYING状态的线程执行terminated()后进入TERMINATED状态。 根据上述线程池生命周期状态的描述，可以画出如下所示的线程池生命周期状态流程示意图。 上一小节中，我们使用ThreadPoolExecutor的构造方法来创建了一个线程池。其实在ThreadPoolExecutor中有多个构造方法，但是最终都调用到了下边代码中的这一个构造方法： public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { // ...省略校验相关代码 this.corePoolSize = corePoolSize; this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; this.workQueue = workQueue; this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime); this.threadFactory = threadFactory; this.handler = handler; } // ... }这个构造方法中有7个参数之多，我们逐个来看每个参数所代表的含义： corePoolSize 表示线程池的核心线程数。当有任务提交到线程池时，如果线程池中的线程数小于corePoolSize,那么则直接创建新的线程来执行任务。 workQueue 任务队列，它是一个阻塞队列，用于存储来不及执行的任务的队列。当有任务提交到线程池的时候，如果线程池中的线程数大于等于corePoolSize，那么这个任务则会先被放到这个队列中，等待执行。 maximumPoolSize 表示线程池支持的最大线程数量。当一个任务提交到线程池时，线程池中的线程数大于corePoolSize,并且workQueue已满，那么则会创建新的线程执行任务，但是线程数要小于等于maximumPoolSize。 keepAliveTime 非核心线程空闲时保持存活的时间。非核心线程即workQueue满了之后，再提交任务时创建的线程，因为这些线程不是核心线程，所以它空闲时间超过keepAliveTime后则会被回收。 unit 非核心线程空闲时保持存活的时间的单位 threadFactory 创建线程的工厂，可以在这里统一处理创建线程的属性 handler 拒绝策略，当线程池中的线程达到maximumPoolSize线程数后且workQueue已满的情况下，再向线程池提交任务则执行对应的拒绝策略 2.线程池工作流程线程池提交任务是从execute方法开始的，我们可以从execute方法来分析线程池的工作流程。 （1）当execute方法提交一个任务时，如果线程池中线程数小于corePoolSize,那么不管线程池中是否有空闲的线程，都会创建一个新的线程来执行任务。 （2）当execute方法提交一个任务时，线程池中的线程数已经达到了corePoolSize,且此时没有空闲的线程，那么则会将任务存储到workQueue中。
（4）如果线程池中的线程执行完了当前的任务，则会尝试从workQueue中取出第一个任务来执行。如果workQueue为空则会阻塞线程。 （5）如果execute提交任务时，线程池中的线程数达到了maximumPoolSize，且workQueue已满，此时会执行拒绝策略来拒绝接受任务。 （6）如果线程池中的线程数超过了corePoolSize，那么空闲时间超过keepAliveTime的线程会被销毁，但程池中线程个数会保持为corePoolSize。 （7）如果线程池存在空闲的线程，并且设置了allowCoreThreadTimeOut为true。那么空闲时间超过keepAliveTime的线程都会被销毁。 如果线程池中的线程数达到了maximumPoolSize，并且workQueue队列存储满的情况下，线程池会执行对应的拒绝策略。在JDK中提供了RejectedExecutionHandler接口来执行拒绝操作。实现RejectedExecutionHandler的类有四个，对应了四种拒绝策略。分别如下： DiscardPolicy 当提交任务到线程池中被拒绝时，线程池会丢弃这个被拒绝的任务 DiscardOldestPolicy 当提交任务到线程池中被拒绝时，线程池会丢弃等待队列中最老的任务。 CallerRunsPolicy 当提交任务到线程池中被拒绝时，会在线程池当前正在运行的Thread线程中处理被拒绝额任务。即哪个线程提交的任务哪个线程去执行。 AbortPolicy 当提交任务到线程池中被拒绝时，直接抛出RejectedExecutionException异常。 三、线程池源码分析从上一章对线程池的工作流程解读来看，线程池的原理似乎并没有很难。但是开篇时我说过想要读懂线程池的源码并不容，主要原因是线程池内部运用到了大量并发相关知识，另外还与线程池中用到的位运算有关。 1.线程池中的位运算（了解内容）在向线程池提交任务时有两个比较中要的参数会决定任务的去向，这两个参数分别是线程池的状态和线程池中的线程数。在ThreadPoolExecutor内部使用了一个AtomicInteger类型的整数ctl来表示这两个参数，代码如下： public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { // Integer.SIZE = 32.所以 COUNT_BITS= 29 private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 00011111 11111111 11111111 11111111 这个值可以表示线程池的最大线程容量 private static final int COUNT_MASK = (1 corePoolSize; // ... try { // Flag2. 取出阻塞队列中的任务,注意如果timed为true，则会调用阻塞队列的poll方法， // 并设置超时时间为keepAliveTime，如果超时没有取到任务则会返回null。 Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } }重点看getTask是如何处理空闲超时的逻辑的。我们知道，回收线程的条件是线程大于核心线程数或者配置了allowCoreThreadTimeOut为true,当线程空闲超时的情况下就会回收线程。上述代码在Flag1处先判断了如果线程池中的线程数大于核心线程数，或者开启了allowCoreThreadTimeOut，那么就需要开启线程空闲超时回收。所有在Flag2处，timed为true的情况下调用了阻塞队列的poll方法，并传入了超时时间为keepAliveTime，poll方法是一个阻塞方法，在没有任务时候回进行阻塞。如果在keepAliveTime时间内，没有获取到任务，那么poll方法就会返回null，结束runWorker的循环。进而执行runWorker方法中回收线程的操作。 这里需要我们理解阻塞队列poll方法的使用，poll方法接受一个时间参数，是一个阻塞操作，在给定的时间内没有获取到数据就返回null。poll方法的核心代码如下： while (count == 0) { if (nanos |
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