目录

• 前言
• 一、Java 线程池的出现
• 二、Java 线程池的基础接口

• Executor 与 ExecutorService

• 三、Java 线程池的基础实现

• AbstractExecutorService
• ThreadPoolExecutor

• 1. 线程池的状态 —— 位运算
• 2. 生产消费模型 —— BlockingQueue（阻塞队列）
• 3. 任务执行者 —— Worker
• Worker 是什么
• Executor 如何管理 Worker
• 4. 执行函数 —— execute
• 5. 饱和策略 —— handler

• 四、为什么要使用线程池

前言

在上篇整理了 Java 线程与任务的概念，这篇说一说 Java 的线程池，在我们更加了解线程池的同时，也增加一些设计思路。

一、Java 线程池的出现

如果现在我们需要对并发的场景做性能优化，我们该从哪方面入手呢？显而易见，最简单的一个角度：节省线程创建与销毁的开销。

无论是IO密集应用还是计算密集应用，线程的管理都是需要成本的，所以从计算机的角度出发，我们还应该 限制线程的数量。创建线程的目的是使应用拥有更好的性能，而如果悬挂的线程过多，线程管理成本过高，应用的性能同样会下降。

对于以上两点需求，线程池就诞生了。

首先给大家看一下本文接口与实现类的关系：

二、Java 线程池的基础接口

Executor 与 ExecutorService

这是两个线程池的基础接口，ExecutorService 继承了 Executor。一般情况下，运用 ExecutorService 的实现比较多，因为拥有更完整的规范。先看一下这两个接口：

与 Runnable 接口类似，定义非常简单，将任务实现放入执行器，执行（execute）任务。

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在这里，我们可以看到线程池的雏形，为了更好的管理线程，实现线程池所需要的基本功能。

虽然 ExecutorService 的规范比 Executor 多了一些，但是总结无非就是三类：

• 关闭等控制类函数（池级别）
• 运行类函数（线程级别）
• 批量运行类型函数（第二种的扩展）

这里我们可以留意一下这两个接口：

感觉是不是很熟悉，这里先按下不表，下一节就能知道这里为什么要这样设计。

三、Java 线程池的基础实现

AbstractExecutorService

这个抽象类阶段性的实现了 ExecutorService 接口，在这个类中，明确了一些实现线程池的思路与步骤。

首先来看一下任务的基础实现与单任务的执行：

• 线程池的基础任务类型为 FutureTask
• 提交任务函数需要有2个步骤：新建任务对象 -> 执行器执行任务。

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至此，我们理解了 submit 函数看起来为什么那么眼熟，是因为秉承着和 FutureTask 一样的逻辑，所以也提供了两个整齐的接口。

下面我们来看一下批量运行的处理方法，invokeAny 涉及到线程管理的调度，这里先按下不表，我们先看 invokeAll 中的实现：

可以看到，取值是对整个 list 的一个遍历处理，因为是按 list 顺序 get 结果，所以其完成时间由 最慢任务决定。

到此为止，我们已经对线程池有了初步的认知，下面来看一下 Java 是怎么实现一个完整线程池的。

ThreadPoolExecutor

首先，我们可以通过构造方法来看一看，线程池的初始化最少需要什么元素。

参数说明：

• corePoolSize：线程池核心线程数。加入一个任务时，如果当前线程数（空闲+非空闲）小于 corePoolSize，即便当前有空闲的线程，也会创建新的线程来执行任务。如果当前线程数（空闲+非空闲）等于 corePoolSize，则不再重新创建线程。
• maximumPoolSize：线程池最大线程数。如果阻塞队列已满，并且当前线程数（空闲+非空闲）小于等于 maximumPoolSize ，就会创建新的线程来执行任务。
• keepAliveTime：如果当前线程数（空闲+非空闲）大于 corePoolSize ，并且空闲时间大于 keepAliveTime的话，就会将这些java技术基础多线程空闲线程销毁，释放资源。
• unit：时间的单位。
• workQueue：阻塞队列的实例。
• ThreadFactory ： 线程工厂类，一般使用默认工厂。
• RejectedExecutionHandler：饱和策略。在任务过多时，对任务的处理策略。

1. 线程池的状态 —— 位运算

为了提升运行的效率，减少开销，我们在记录一些属性值的时候，会用到 bit 位的操作，即位运算。（比如算法课上要用哈夫曼树实现压缩，就需要 bit 位记录源文件的各种属性数据）。

如果不清楚位运算等概念的同学可以移步：

java中的 位运算 和 移位运算详解原码、反码、补码知识详细讲解

我们来看一下，ThreadPollExecutor 是如何运用一个 int 来记录两项属性的：

2. 生产消费模型 —— BlockingQueue（阻塞队列）

在 ThreadPoolExecutor 中，管理保存任务的数据结构就是阻塞队列。其中，生产的方式用的是 offer ，消费的方式是 poll 与 take。

接口规范中，很容易看到 poll 与 take 的区别。看一下在线程池中的应用：

Tips：
依据元素是否是具备时间（timed）属性，而选择消费任务的方式。
如果是 poll 消费方式，则元素具备超时属性（具体可以看BlockingQueue的源码），会在取值处阻塞，直到达到超时（空闲）时间，返回null，在 runWorker() 函数中，调用销毁线程方法 processWorkerExit ，从而达到：线程数 > corePoolSize 时，空闲线程按时回收。
而 take 消费方式，则会一直阻塞等待，对于 getTask() 而言，总有返回值，即不会销毁线程。从而达到：线程数 <= corePoolSize 时，空闲线程不回收。

3. 任务执行者 —— Worker

在 ThreadPoolExecutor 中，有一个 Worker 的内部类。简单来说就是任务（runnable的实现 —— task）的容器，可以粗暴的理解为一个线程，但是不完全相同。

Worker 是什么

实际上 Worker 是一个任务容器，并且构造方法非常简单：

创建一个新的线程对象，并向其中添加一个任务。

Executor 如何管理 Worker

首先 Executor 是通过一个 set 来存储 Worker 的，确保每个 worker 的唯一性。

其次，对于线程池而言，最重要的就是 addWorker 和 runWorker 了。这里就不贴源码了，简单说一下这两个函数的区别与用途。

addWorker() 函数是 真正创建 Worker 实例并开启线程的地方 ，因为其中找到了 thread.start() 函数。稍微检索一下，我们就可以看到 execute() 函数里面调用了 addWorker，所以可以得知：线程池如果要执行任务，就需要调用execute() 函数。

runWorker() 函数实际上就是 Worker 的 run，（补充说明）。

4. 执行函数 —— execute

这里的代码，揭示了线程池线程池在线程数不同情况下的处理策略。

5. 饱和策略 —— handler

饱和策略是用于处理在线程异常与线程数已满的情况下，处理当前任务的处理方式。大家可以稍作了解。

• AbortPolicy： 中止执行提交的任务，抛出 RejectedExecutionException 异常；这是线程池中默认的策略。

• CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务，即在调用者视角，此任务串行在调用者的主线程中。

• DiscardPolicy：不处理直接丢弃掉任务（执行空函数）；

• DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中头部任务（即存放最久的任务），执行当前任务。

四、为什么要使用线程池

经过以上了解，我们可以总结出线程池的价值：

• 降低资源消耗。通过复用已存在的线程，降低创建和销毁线程的资源消耗；
• 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，不能无限增生，过多的线程也会给计算机造成负担。