來源：SilenceDut

http://www.codeceo.com/article/java-threadpool-learn.html

線程池的技術(shù)背景

在面向?qū)ο缶幊讨?#xff0c;創(chuàng)建和銷毀對象是很費時間的，因為創(chuàng)建一個對象要獲取內(nèi)存資源或者其它更多資源。在Java中更是如此，虛擬機將試圖跟蹤每一個對象，以便能夠在對象銷毀后進行垃圾回收。

所以提高服務程序效率的一個手段就是盡可能減少創(chuàng)建和銷毀對象的次數(shù)，特別是一些很耗資源的對象創(chuàng)建和銷毀。如何利用已有對象來服務就是一個需要解決的關(guān)鍵問題，其實這就是一些”池化資源”技術(shù)產(chǎn)生的原因。

例如Android中常見到的很多通用組件一般都離不開”池”的概念，如各種圖片加載庫，網(wǎng)絡(luò)請求庫，即使Android的消息傳遞機制中的Meaasge當使用Meaasge.obtain()就是使用的Meaasge池中的對象，因此這個概念很重要。本文將介紹的線程池技術(shù)同樣符合這一思想。

線程池的優(yōu)點:

• 重用線程池中的線程,減少因?qū)ο髣?chuàng)建,銷毀所帶來的性能開銷;
• 能有效的控制線程的最大并發(fā)數(shù),提高系統(tǒng)資源利用率,同時避免過多的資源競爭,避免堵塞;
• 能夠多線程進行簡單的管理,使線程的使用簡單、高效。

線程池框架Executor

java中的線程池是通過Executor框架實現(xiàn)的，Executor 框架包括類：Executor，Executors，ExecutorService，ThreadPoolExecutor ，Callable和Future、FutureTask的使用等。

Executor: 所有線程池的接口,只有一個方法。

public interface Executor { void execute(Runnable command); }

ExecutorService: 增加Executor的行為，是Executor實現(xiàn)類的最直接接口。

Executors： 提供了一系列工廠方法用于創(chuàng)先線程池，返回的線程池都實現(xiàn)了ExecutorService 接口。

ThreadPoolExecutor：線程池的具體實現(xiàn)類,一般用的各種線程池都是基于這個類實現(xiàn)的。
構(gòu)造方法如下:

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler); }

• corePoolSize：線程池的核心線程數(shù),線程池中運行的線程數(shù)也永遠不會超過 corePoolSize 個,默認情況下可以一直存活。可以通過設(shè)置allowCoreThreadTimeOut為True,此時?核心線程數(shù)就是0,此時keepAliveTime控制所有線程的超時時間。
• maximumPoolSize：線程池允許的最大線程數(shù);
• keepAliveTime： 指的是空閑線程結(jié)束的超時時間;
• unit?：是一個枚舉，表示 keepAliveTime 的單位;
• workQueue：表示存放任務的BlockingQueue<Runnable隊列。
• BlockingQueue:阻塞隊列（BlockingQueue）是java.util.concurrent下的主要用來控制線程同步的工具。如果BlockQueue是空的,從BlockingQueue取東西的操作將會被阻斷進入等待狀態(tài),直到BlockingQueue進了東西才會被喚醒。同樣,如果BlockingQueue是滿的,任何試圖往里存東西的操作也會被阻斷進入等待狀態(tài),直到BlockingQueue里有空間才會被喚醒繼續(xù)操作。
  阻塞隊列常用于生產(chǎn)者和消費者的場景，生產(chǎn)者是往隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產(chǎn)者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。具體的實現(xiàn)類有LinkedBlockingQueue,ArrayBlockingQueued等。一般其內(nèi)部的都是通過Lock和Condition(顯示鎖（Lock）及Condition的學習與使用)來實現(xiàn)阻塞和喚醒。

線程池的工作過程如下：

線程池剛創(chuàng)建時，里面沒有一個線程。任務隊列是作為參數(shù)傳進來的。不過，就算隊列里面有任務，線程池也不會馬上執(zhí)行它們。

當調(diào)用 execute() 方法添加一個任務時，線程池會做如下判斷：

• 如果正在運行的線程數(shù)量小于 corePoolSize，那么馬上創(chuàng)建線程運行這個任務；
• 如果正在運行的線程數(shù)量大于或等于 corePoolSize，那么將這個任務放入隊列；
• 如果這時候隊列滿了，而且正在運行的線程數(shù)量小于 maximumPoolSize，那么還是要創(chuàng)建非核心線程立刻運行這個任務；
• 如果隊列滿了，而且正在運行的線程數(shù)量大于或等于 maximumPoolSize，那么線程池會拋出異常RejectExecutionException。

當一個線程完成任務時，它會從隊列中取下一個任務來執(zhí)行。

當一個線程無事可做，超過一定的時間（keepAliveTime）時，線程池會判斷，如果當前運行的線程數(shù)大于 corePoolSize，那么這個線程就被停掉。所以線程池的所有任務完成后，它最終會收縮到 corePoolSize 的大小。

線程池的創(chuàng)建和使用

生成線程池采用了工具類Executors的靜態(tài)方法，以下是幾種常見的線程池。

SingleThreadExecutor：單個后臺線程 (其緩沖隊列是無界的)

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

創(chuàng)建一個單線程的線程池。這個線程池只有一個核心線程在工作，也就是相當于單線程串行執(zhí)行所有任務。如果這個唯一的線程因為異常結(jié)束，那么會有一個新的線程來替代它。此線程池保證所有任務的執(zhí)行順序按照任務的提交順序執(zhí)行。

FixedThreadPool：只有核心線程的線程池,大小固定 (其緩沖隊列是無界的) 。

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

創(chuàng)建固定大小的線程池。每次提交一個任務就創(chuàng)建一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，如果某個線程因為執(zhí)行異常而結(jié)束，那么線程池會補充一個新線程。

CachedThreadPool：無界線程池，可以進行自動線程回收。

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

如果線程池的大小超過了處理任務所需要的線程，那么就會回收部分空閑（60秒不執(zhí)行任務）的線程，當任務數(shù)增加時，此線程池又可以智能的添加新線程來處理任務。此線程池不會對線程池大小做限制，線程池大小完全依賴于操作系統(tǒng)（或者說JVM）能夠創(chuàng)建的最大線程大小。SynchronousQueue是一個是緩沖區(qū)為1的阻塞隊列。

ScheduledThreadPool：核心線程池固定，大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執(zhí)行任務的需求。

public static ExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPool(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS, new DelayedWorkQueue()); }

創(chuàng)建一個周期性執(zhí)行任務的線程池。如果閑置,非核心線程池會在DEFAULT_KEEPALIVEMILLIS時間內(nèi)回收。

線程池最常用的提交任務的方法有兩種：

execute:

ExecutorService.execute(Runnable runable)；

submit:

FutureTask task = ExecutorService.submit(Runnable runnable);FutureTask<T> task = ExecutorService.submit(Runnable runnable,T Result);FutureTask<T> task = ExecutorService.submit(Callable<T> callable);

submit(Callable callable)的實現(xiàn)，submit(Runnable runnable)同理。

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {if (task == null) throw new NullPointerException(); FutureTask<T> ftask = newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask; }

可以看出submit開啟的是有返回結(jié)果的任務，會返回一個FutureTask對象，這樣就能通過get()方法得到結(jié)果。submit最終調(diào)用的也是execute(Runnable runable)，submit只是將Callable對象或Runnable封裝成一個FutureTask對象，因為FutureTask是個Runnable，所以可以在execute中執(zhí)行。關(guān)于Callable對象和Runnable怎么封裝成FutureTask對象，見Callable和Future、FutureTask的使用。

線程池實現(xiàn)的原理

如果只講線程池的使用，那這篇博客沒有什么大的價值，充其量也就是熟悉Executor相關(guān)API的過程。線程池的實現(xiàn)過程沒有用到Synchronized關(guān)鍵字，用的都是Volatile,Lock和同步(阻塞)隊列,Atomic相關(guān)類，FutureTask等等，因為后者的性能更優(yōu)。理解的過程可以很好的學習源碼中并發(fā)控制的思想。

在開篇提到過線程池的優(yōu)點是可總結(jié)為以下三點：

線程復用

控制最大并發(fā)數(shù)

管理線程

1.線程復用過程

理解線程復用原理首先應了解線程生命周期。

在線程的生命周期中，它要經(jīng)過新建(New)、就緒（Runnable）、運行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5種狀態(tài)。

Thread通過new來新建一個線程，這個過程是是初始化一些線程信息，如線程名，id,線程所屬group等，可以認為只是個普通的對象。調(diào)用Thread的start()后Java虛擬機會為其創(chuàng)建方法調(diào)用棧和程序計數(shù)器，同時將hasBeenStarted為true,之后調(diào)用start方法就會有異常。

處于這個狀態(tài)中的線程并沒有開始運行，只是表示該線程可以運行了。至于該線程何時開始運行，取決于JVM里線程調(diào)度器的調(diào)度。當線程獲取cpu后，run()方法會被調(diào)用。不要自己去調(diào)用Thread的run()方法。之后根據(jù)CPU的調(diào)度在就緒——運行——阻塞間切換，直到run()方法結(jié)束或其他方式停止線程，進入dead狀態(tài)。

所以實現(xiàn)線程復用的原理應該就是要保持線程處于存活狀態(tài)（就緒，運行或阻塞）。接下來來看下ThreadPoolExecutor是怎么實現(xiàn)線程復用的。

在ThreadPoolExecutor主要Worker類來控制線程的復用。看下Worker類簡化后的代碼，這樣方便理解：

private final class Worker implements Runnable { final Thread thread; Runnable firstTask; Worker(Runnable firstTask) { this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } public void run() { runWorker(this); } final void runWorker(Worker w) { Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; while (task != null || (task = getTask()) != null){ task.run(); } }

Worker是一個Runnable，同時擁有一個thread，這個thread就是要開啟的線程，在新建Worker對象時同時新建一個Thread對象，同時將Worker自己作為參數(shù)傳入TThread，這樣當Thread的start()方法調(diào)用時，運行的實際上是Worker的run()方法，接著到runWorker()中,有個while循環(huán)，一直從getTask()里得到Runnable對象，順序執(zhí)行。getTask()又是怎么得到Runnable對象的呢？

依舊是簡化后的代碼：

private Runnable getTask() {if(一些特殊情況) { return null; } Runnable r = workQueue.take(); return r; }

這個workQueue就是初始化ThreadPoolExecutor時存放任務的BlockingQueue隊列，這個隊列里的存放的都是將要執(zhí)行的Runnable任務。因為BlockingQueue是個阻塞隊列，BlockingQueue.take()得到如果是空，則進入等待狀態(tài)直到BlockingQueue有新的對象被加入時喚醒阻塞的線程。所以一般情況Thread的run()方法就不會結(jié)束,而是不斷執(zhí)行從workQueue里的Runnable任務，這就達到了線程復用的原理了。

2.控制最大并發(fā)數(shù)

那Runnable是什么時候放入workQueue？Worker又是什么時候創(chuàng)建，Worker里的Thread的又是什么時候調(diào)用start()開啟新線程來執(zhí)行Worker的run()方法的呢？有上面的分析看出Worker里的runWorker()執(zhí)行任務時是一個接一個，串行進行的，那并發(fā)是怎么體現(xiàn)的呢？

很容易想到是在execute(Runnable runnable)時會做上面的一些任務。看下execute里是怎么做的。

execute:

簡化后的代碼

public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); // 當前線程數(shù) < corePoolSize if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // 直接啟動新的線程。 if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } // 活動線程數(shù) >= corePoolSize // runState為RUNNING && 隊列未滿 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); // 再次檢驗是否為RUNNING狀態(tài) // 非RUNNING狀態(tài) 則從workQueue中移除任務并拒絕 if (!isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command);// 采用線程池指定的策略拒絕任務 // 兩種情況： // 1.非RUNNING狀態(tài)拒絕新的任務 // 2.隊列滿了啟動新的線程失敗（workCount > maximumPoolSize） } else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }

addWorker:

簡化后的代碼

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { int wc = workerCountOf(c); if (wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) { return false; } w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; t.start(); }

根據(jù)代碼再來看上面提到的線程池工作過程中的添加任務的情況：

* 如果正在運行的線程數(shù)量小于 corePoolSize，那么馬上創(chuàng)建線程運行這個任務； * 如果正在運行的線程數(shù)量大于或等于 corePoolSize，那么將這個任務放入隊列； * 如果這時候隊列滿了，而且正在運行的線程數(shù)量小于 maximumPoolSize，那么還是要創(chuàng)建非核心線程立刻運行這個任務； * 如果隊列滿了，而且正在運行的線程數(shù)量大于或等于 maximumPoolSize，那么線程池會拋出異常RejectExecutionException。

這就是Android的AsyncTask在并行執(zhí)行是在超出最大任務數(shù)是拋出RejectExecutionException的原因所在，詳見基于最新版本的AsyncTask源碼解讀及AsyncTask的黑暗面

通過addWorker如果成功創(chuàng)建新的線程成功，則通過start()開啟新線程，同時將firstTask作為這個Worker里的run()中執(zhí)行的第一個任務。

雖然每個Worker的任務是串行處理，但如果創(chuàng)建了多個Worker，因為共用一個workQueue，所以就會并行處理了。

所以根據(jù)corePoolSize和maximumPoolSize來控制最大并發(fā)數(shù)。大致過程可用下圖表示。

上面的講解和圖來可以很好的理解的這個過程。

如果是做Android開發(fā)的，并且對Handler原理比較熟悉，你可能會覺得這個圖挺熟悉，其中的一些過程和Handler，Looper，Meaasge使用中，很相似。Handler.send(Message)相當于execute(Runnuble)，Looper中維護的Meaasge隊列相當于BlockingQueue，只不過需要自己通過同步來維護這個隊列，Looper中的loop()函數(shù)循環(huán)從Meaasge隊列取Meaasge和Worker中的runWork()不斷從BlockingQueue取Runnable是同樣的道理。

3.管理線程

通過線程池可以很好的管理線程的復用，控制并發(fā)數(shù)，以及銷毀等過程,線程的復用和控制并發(fā)上面已經(jīng)講了，而線程的管理過程已經(jīng)穿插在其中了，也很好理解。

在ThreadPoolExecutor有個ctl的AtomicInteger變量。通過這一個變量保存了兩個內(nèi)容：

• 所有線程的數(shù)量
• 每個線程所處的狀態(tài)

其中低29位存線程數(shù)，高3位存runState，通過位運算來得到不同的值。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));//得到線程的狀態(tài) private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; } //得到Worker的的數(shù)量 private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; } // 判斷線程是否在運行 private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; }

這里主要通過shutdown和shutdownNow()來分析線程池的關(guān)閉過程。首先線程池有五種狀態(tài)來控制任務添加與執(zhí)行。主要介紹以下三種：

• RUNNING狀態(tài)：線程池正常運行，可以接受新的任務并處理隊列中的任務；
• SHUTDOWN狀態(tài)：不再接受新的任務，但是會執(zhí)行隊列中的任務；
• STOP狀態(tài)：不再接受新任務，不處理隊列中的任務

shutdown這個方法會將runState置為SHUTDOWN，會終止所有空閑的線程，而仍在工作的線程不受影響，所以隊列中的任務人會被執(zhí)行。shutdownNow方法將runState置為STOP。和shutdown方法的區(qū)別，這個方法會終止所有的線程，所以隊列中的任務也不會被執(zhí)行了。

總結(jié)

通過對ThreadPoolExecutor源碼的分析，從總體上了解了線程池的創(chuàng)建，任務的添加，執(zhí)行等過程，熟悉這些過程，使用線程池就會更輕松了。

而從中學到的一些對并發(fā)控制，以及生產(chǎn)者——消費者模型任務處理的使用，對以后理解或解決其他相關(guān)問題會有很大的幫助。比如Android中的Handler機制，而Looper中的Messager隊列用一個BlookQueue來處理同樣是可以的,這寫就是讀源碼的收獲吧。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/bigben0123/p/8243041.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的从使用到原理学习Java线程池的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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