Java
Java基础

线程池

# 前言

# 线程池是什么

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的工具，经常出现在多线程服务器中，如MySQL。

使用线程池可以带来一系列好处：

降低资源消耗：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。
提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
提高线程的可管理性：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。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。

# 线程池解决的问题是什么

频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能会非常巨大。
对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。

除去线程池，还有其他比较典型的几种使用策略包括：

内存池(Memory Pooling)：预先申请内存，提升申请内存速度，减少内存碎片。
连接池(Connection Pooling)：预先申请数据库连接，提升申请连接的速度，降低系统的开销。
实例池(Object Pooling)：循环使用对象，减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。

# 线程池的核心设计与实现

# JDK1.8中主要的类图

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是一个接口，扩展了Executor接口，定义了一些方法，例如submit()、shutdown()、shutdownNow()等，用于管理和控制线程池中的任务。

AbstractExecutorService是一个抽象类，实现了ExecutorService接口中的大部分方法，但留下了一些抽象方法供子类实现。它提供了一些默认的行为，例如如何处理被拒绝的任务等。

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。

# 生命周期管理

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）。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

高3位保存runState，低29位保存workerCount，两个变量之间互不干扰。用一个变量去存储两个值，可避免在做相关决策时，出现不一致的情况，不必为了维护两者的一致，而占用锁资源。

ThreadPoolExecutor的运行状态有5种，分别为：

运行状态	状态描述
RUNNING	能接受新提交的任务，并且也能处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN	关闭状态，不在接受新提交的任务，但可以继续处理阻塞队列中已保存的任务
STOP	不能接收新任务，也不处理队列中的任务，会中断正在处理任务的线程
TIDYING	所有的任务都已终止，workerCount(有效线程数)为0
TERMINATED	在terminated()方法执行完后进入该状态

其生命周期转换如下入所示：

# 任务执行机制

# 任务调度

# 任务缓冲

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：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。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

# 任务申请

任务的执行有两种可能：

任务直接由新创建的线程执行。
线程从任务队列中获取任务然后执行，执行完任务的空闲线程会再次去从队列中申请任务再去执行。

图6 获取任务流程图

# 任务拒绝

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。

可以实现这个接口定制拒绝策略

public interface RejectedExecutionHandler {
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

JDK中提供了四种拒绝策略

AbortPolicy：默认的拒绝策略，当线程池无法处理新的任务时，直接抛出RejectedExecutionException异常。
CallerRunsPolicy：当线程池无法处理新的任务时，将任务返回给调用者，由调用者线程执行。
DiscardPolicy：当线程池无法处理新的任务时，直接丢弃该任务，不做任何处理。
DiscardOldestPolicy：当线程池无法处理新的任务时，丢弃队列中最老的任务，然后将新的任务加入队列。

# Worker线程管理

# Worker线程

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
    final Thread thread;//Worker持有的线程
    Runnable firstTask;//初始化的任务，可以为null
}

线程池需要管理线程的生命周期，需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用，这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。

这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。

Worker是通过继承AQS，使用AQS来实现独占锁这个功能。没有使用可重入锁ReentrantLock，而是使用AQS，为的就是实现不可重入的特性去反应线程现在的执行状态。

lock方法一旦获取了独占锁，表示当前线程正在执行任务中。
如果正在执行任务，则不应该中断线程。
如果该线程现在不是独占锁的状态，也就是空闲的状态，说明它没有在处理任务，这时可以对该线程进行中断。
线程池在执行shutdown方法或tryTerminate方法时会调用interruptIdleWorkers方法来中断空闲的线程，interruptIdleWorkers方法会使用tryLock方法来判断线程池中的线程是否是空闲状态；如果线程是空闲状态则可以安全回收。