Java线程池工作原理

前言

当项目中有频繁创建线程的场景时，往往会用到线程池来提高效率。所以，线程池在项目开发过程中的出场率是很高的。

那线程池是怎么工作的呢？它什么时候创建线程对象，如何保证线程安全...

什么时候创建线程对象

当实例化线程池对象时，并没有预先创建corePoolSize个线程对象，而是在调用execute或submit提交任务时，才会创建线程对象。

工作流程

public void execute(Runnable command) {
        int c = ctl.get();
        // 1. 如果核心线程数没有用完，则让核心线程执行任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 2. 核心线程用完后，尝试添加到等待队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 3. 等待队列满后，尝试创建临时线程执行任务；
        // 如果创建临时线程失败，即达到了最大线程数，则采用拒绝策略处理
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

如何保存线程池状态

// 线程池采用状态压缩的思想，通过 32 个 bit 位来存储线程池状态和工作线程数量
// 其中，高 3 位存储线程池状态，低 29 位存储工作线程数量

// 表示工作线程数量位数
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 线程池最大容量
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 通过线程安全的 atomic 对象来存储线程池状态
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

如何保证线程安全

1、对于一些需要线程共享的成员变量，通过volatile修饰

2、线程池状态和工作线程数的修改通过AtomicInteger类自带的线程安全方法实现

3、工作线程Worker通过线程不安全的HashSet存储，每次操作HashSet时都通过一个可重入锁ReentrantLock保证线程安全，ReentrantLock还用来保证访问一些线程不安全的变量，比如

/**
 * Tracks largest attained pool size. Accessed only under
 * mainLock.
 */
private int largestPoolSize;

/**
 * Counter for completed tasks. Updated only on termination of
 * worker threads. Accessed only under mainLock.
 */
private long completedTaskCount;

4、Worker实现了AQS类，保证线程安全地操作工作线程Worker。Worker通过设置AQS#state来实现加锁和释放锁，当state == 0时，表示没有上锁；当state == 1时，表示上锁，通过CAS方式实现线程安全

protected boolean tryAcquire(int unused) {
	if (compareAndSetState(0, 1)) {
		setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
		return true;
	}
	return false;
}

public void lock()        { acquire(1); }
public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
public void unlock()      { release(1); }
public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }

内置线程池

1、SingleThreadPool

单线程池，只使用一个线程执行任务，阻塞队列LinkedBlockingQueue最大容量为Integer.MAX_VALUE。

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

2、FixedThreadPool

固定大小的线程池，当创建的线程数量达到maxPoolSize，就不再创建线程，阻塞队列LinkedBlockingQueue最大容量为Integer.MAX_VALUE。

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

3、CachedThreadPool

缓存线程池，核心线程数量为0，所以任务都通过创建临时线程来执行，临时线程空闲回收时间为60秒，当线程池空闲时，临时线程都会被回收，不耗费资源。

阻塞队列SynchronousQueue不会缓存任务，也就是说，新任务进来后会直接被调度执行，如果没有可用的线程了，则会创建新的线程，如果线程数达到maxPoolSize，即Integer.MAX_VALUE，就执行拒绝策略。

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

4、ScheduleThreadPool

定时调度线程池，通过DelayedWorkQueue

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
	super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
		new DelayedWorkQueue());
}

5、WorkStealingThreadPool

工作窃取线程池，当一个处理器忙时，空闲的处理器可以窃取该处理器后续的任务执行。通过ForkJoinPool实现，可设置支持的并行级别。

public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) {
        return new ForkJoinPool
            (parallelism,
             ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,
             null, true);
}