Java线程池是怎么工作的

线程池的工作原理

首先我们看下当一个新的任务提交到线程池之后，线程池是如何处理的

线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则执行第二步。

线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里进行等待。如果工作队列满了，则执行第三步

线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务

线程池饱和策略

这里提到了线程池的饱和策略，那我们就简单介绍下有哪些饱和策略：

AbortPolicy

为Java线程池默认的阻塞策略，不执行此任务，而且直接抛出一个运行时异常，切记ThreadPoolExecutor.execute需要try catch，否则程序会直接退出。

DiscardPolicy

直接抛弃，任务不执行，空方法

DiscardOldestPolicy

从队列里面抛弃head的一个任务，并再次execute 此task。

CallerRunsPolicy

在调用execute的线程里面执行此command，会阻塞入口

用户自定义拒绝策略（最常用）

实现RejectedExecutionHandler，并自己定义策略模式

下我们以ThreadPoolExecutor为例展示下线程池的工作流程图

如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。

如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则在非corePool中创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

关键方法源码分析

我们看看核心方法添加到线程池方法execute的源码如下：

    //    //Executes the given task sometime in the future.  The task    //may execute in a new thread or in an existing pooled thread.    //    // If the task cannot be submitted for execution, either because this    // executor has been shutdown or because its capacity has been reached,    // the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.    //    // @param command the task to execute    // @throws RejectedExecutionException at discretion of    //         {@code RejectedExecutionHandler}, if the task    //         cannot be accepted for execution    // @throws NullPointerException if {@code command} is null    //   public void execute(Runnable command) {       if (command == null)           throw new NullPointerException();       //        // Proceed in 3 steps:        //        // 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to        // start a new thread with the given command as its first        // task.  The call to addWorker atomically checks runState and        // workerCount, and so prevents false alarms that would add        // threads when it shouldn't, by returning false.        // 翻译如下：        // 判断当前的线程数是否小于corePoolSize如果是，使用入参任务通过addWord方法创建一个新的线程，        // 如果能完成新线程创建exexute方法结束，成功提交任务        // 2. If a task can be successfully queued, then we still need        // to double-check whether we should have added a thread        // (because existing ones died since last checking) or that        // the pool shut down since entry into this method. So we        // recheck state and if necessary roll back the enqueuing if        // stopped, or start a new thread if there are none.        // 翻译如下：        // 在第一步没有完成任务提交；状态为运行并且能否成功加入任务到工作队列后，再进行一次check，如果状态        // 在任务加入队列后变为了非运行（有可能是在执行到这里线程池shutdown了），非运行状态下当然是需要        // reject；然后再判断当前线程数是否为0（有可能这个时候线程数变为了0），如是，新增一个线程；        // 3. If we cannot queue task, then we try to add a new        // thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated        // and so reject the task.        // 翻译如下：        // 如果不能加入任务到工作队列，将尝试使用任务新增一个线程，如果失败，则是线程池已经shutdown或者线程池        // 已经达到饱和状态，所以reject这个他任务        //       int c = ctl.get();       // 工作线程数小于核心线程数       if (workerCountOf(c)

下面我们继续看看addWorker是如何实现的：

 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {       // java标签       retry:       // 死循环       for (;;) {           int c = ctl.get();           // 获取当前线程状态           int rs = runStateOf(c);           // Check if queue empty only if necessary.           // 这个逻辑判断有点绕可以改成           // rs >= shutdown && (rs != shutdown || firstTask != null || workQueue.isEmpty())           // 逻辑判断成立可以分为以下几种情况均不接受新任务           // 1、rs > shutdown:--不接受新任务           // 2、rs >= shutdown && firstTask != null:--不接受新任务           // 3、rs >= shutdown && workQueue.isEmppty:--不接受新任务           // 逻辑判断不成立           // 1、rs==shutdown&&firstTask != null:此时不接受新任务，但是仍会执行队列中的任务           // 2、rs==shotdown&&firstTask == null:会执行addWork(null,false)           //  防止了SHUTDOWN状态下没有活动线程了，但是队列里还有任务没执行这种特殊情况。           //  添加一个null任务是因为SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新任务           if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))               return false;           // 死循环           // 如果线程池状态为RUNNING并且队列中还有需要执行的任务           for (;;) {               // 获取线程池中线程数量               int wc = workerCountOf(c);               // 如果超出容量或者最大线程池容量不在接受新任务               if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))                   return false;               // 线程安全增加工作线程数               if (compareAndIncrementWorkerCount(c))                   // 跳出retry                   break retry;               c = ctl.get();  // Re-read ctl               // 如果线程池状态发生变化，重新循环               if (runStateOf(c) != rs)                   continue retry;               // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop           }       }       // 走到这里说明工作线程数增加成功       boolean workerStarted = false;       boolean workerAdded = false;       Worker w = null;       try {           final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;           w = new Worker(firstTask);           final Thread t = w.thread;           if (t != null) {               // 加锁               mainLock.lock();               try {                   // Recheck while holding lock.                   // Back out on ThreadFactory failure or if                   // shut down before lock acquired.                   int c = ctl.get();                   int rs = runStateOf(c);                   // RUNNING状态 || SHUTDONW状态下清理队列中剩余的任务                   if (rs if (t.isAlive()) // precheck that t is startable                           throw new IllegalThreadStateException();                       // 将新启动的线程添加到线程池中                       workers.add(w);                       // 更新线程池线程数且不超过最大值                       int s = workers.size();                       if (s > largestPoolSize)                           largestPoolSize = s;                       workerAdded = true;                   }               } finally {                   mainLock.unlock();               }               // 启动新添加的线程，这个线程首先执行firstTask，然后不停的从队列中取任务执行               if (workerAdded) {                   //执行ThreadPoolExecutor的runWoker方法                   t.start();                   workerStarted = true;               }           }       } finally {           // 线程启动失败，则从wokers中移除w并递减wokerCount           if (! workerStarted)               // 递减wokerCount会触发tryTerminate方法               addWorkerFailed(w);       }       return workerStarted;   }

addWorker之后是runWorker,第一次启动会执行初始化传进来的任务firstTask；然后会从workQueue中取任务执行，如果队列为空则等待keepAliveTime这么长时间

final void runWorker(Worker w) {       Thread wt = Thread.currentThread();       Runnable task = w.firstTask;       w.firstTask = null;       // 允许中断       w.unlock(); // allow interrupts       boolean completedAbruptly = true;       try {           // 如果getTask返回null那么getTask中会将workerCount递减，如果异常了这个递减操作会在processWorkerExit中处理           while (task != null || (task = getTask()) != null) {               w.lock();               // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;               // if not, ensure thread is not interrupted.  This               // requires a recheck in second case to deal with               // shutdownNow race while clearing interrupt               if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||                    (Thread.interrupted() &&                     runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&                   !wt.isInterrupted())                   wt.interrupt();               try {                   beforeExecute(wt, task);                   Throwable thrown = null;                   try {                       task.run();                   } catch (RuntimeException x) {                       thrown = x; throw x;                   } catch (Error x) {                       thrown = x; throw x;                   } catch (Throwable x) {                       thrown = x; throw new Error(x);                   } finally {                       afterExecute(task, thrown);                   }               } finally {                   task = null;                   w.completedTasks++;                   w.unlock();               }           }           completedAbruptly = false;       } finally {           processWorkerExit(w, completedAbruptly);       }   }

我们看下getTask是如何执行的

private Runnable getTask() {       boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?       // 死循环       retry: for (;;) {           // 获取线程池状态           int c = ctl.get();           int rs = runStateOf(c);           // Check if queue empty only if necessary.           // 1.rs > SHUTDOWN 所以rs至少等于STOP,这时不再处理队列中的任务           // 2.rs = SHUTDOWN 所以rs>=STOP肯定不成立，这时还需要处理队列中的任务除非队列为空           // 这两种情况都会返回null让runWoker退出while循环也就是当前线程结束了，所以必须要decrement           if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {               // 递减workerCount值               decrementWorkerCount();               return null;           }           // 标记从队列中取任务时是否设置超时时间           boolean timed; // Are workers subject to culling?           // 1.RUNING状态           // 2.SHUTDOWN状态，但队列中还有任务需要执行           for (;;) {               int wc = workerCountOf(c);               // 1.core thread允许被超时，那么超过corePoolSize的的线程必定有超时               // 2.allowCoreThreadTimeOut == false && wc >               // corePoolSize时，一般都是这种情况，core thread即使空闲也不会被回收，只要超过的线程才会               timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;               // 从addWorker可以看到一般wc不会大于maximumPoolSize，所以更关心后面半句的情形：               // 1. timedOut == false 第一次执行循环， 从队列中取出任务不为null方法返回 或者               // poll出异常了重试               // 2.timeOut == true && timed ==               // false:看后面的代码workerQueue.poll超时时timeOut才为true，               // 并且timed要为false，这两个条件相悖不可能同时成立（既然有超时那么timed肯定为true）               // 所以超时不会继续执行而是return null结束线程。               if (wc break;               // workerCount递减，结束当前thread               if (compareAndDecrementWorkerCount(c))                   return null;               c = ctl.get(); // Re-read ctl               // 需要重新检查线程池状态，因为上述操作过程中线程池可能被SHUTDOWN               if (runStateOf(c) != rs)                   continue retry;               // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop           }           try {               // 1.以指定的超时时间从队列中取任务               // 2.core thread没有超时               Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();               if (r != null)                   return r;               timedOut = true;// 超时           } catch (InterruptedException retry) {               timedOut = false;// 线程被中断重试           }       }   }

下面我们看下processWorkerExit是如何工作的

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {       // 正常的话再runWorker的getTask方法workerCount已经被减一了       if (completedAbruptly)           decrementWorkerCount();       final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;       mainLock.lock();       try {           // 累加线程的completedTasks           completedTaskCount += w.completedTasks;           // 从线程池中移除超时或者出现异常的线程           workers.remove(w);       } finally {           mainLock.unlock();       }       // 尝试停止线程池       tryTerminate();       int c = ctl.get();       // runState为RUNNING或SHUTDOWN       if (runStateLessThan(c, STOP)) {           // 线程不是异常结束           if (!completedAbruptly) {               // 线程池最小空闲数，允许core thread超时就是0，否则就是corePoolSize               int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;               // 如果min == 0但是队列不为空要保证有1个线程来执行队列中的任务               if (min == 0 && !workQueue.isEmpty())                   min = 1;               // 线程池还不为空那就不用担心了               if (workerCountOf(c) >= min)                   return; // replacement not needed           }           // 1.线程异常退出           // 2.线程池为空，但是队列中还有任务没执行，看addWoker方法对这种情况的处理           addWorker(null, false);       }   }

tryTerminate

processWorkerExit方法中会尝试调用tryTerminate来终止线程池。这个方法在任何可能导致线程池终止的动作后执行：比如减少wokerCount或SHUTDOWN状态下从队列中移除任务。

final void tryTerminate() {       for (;;) {           int c = ctl.get();           // 以下状态直接返回：           // 1.线程池还处于RUNNING状态           // 2.SHUTDOWN状态但是任务队列非空           // 3.runState >= TIDYING 线程池已经停止了或在停止了           if (isRunning(c) || runStateAtLeast(c, TIDYING) || (runStateOf(c) == SHUTDOWN && !workQueue.isEmpty()))               return;           // 只能是以下情形会继续下面的逻辑：结束线程池。           // 1.SHUTDOWN状态，这时不再接受新任务而且任务队列也空了           // 2.STOP状态，当调用了shutdownNow方法           // workerCount不为0则还不能停止线程池,而且这时线程都处于空闲等待的状态           // 需要中断让线程“醒”过来，醒过来的线程才能继续处理shutdown的信号。           if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate               // runWoker方法中w.unlock就是为了可以被中断,getTask方法也处理了中断。               // ONLY_ONE:这里只需要中断1个线程去处理shutdown信号就可以了。               interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);               return;           }           final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;           mainLock.lock();           try {               // 进入TIDYING状态               if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {                   try {                       // 子类重载：一些资源清理工作                       terminated();                   } finally {                       // TERMINATED状态                       ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));                       // 继续awaitTermination                       termination.signalAll();                   }                   return;               }           } finally {               mainLock.unlock();           }           // else retry on failed CAS       }   }

shutdown这个方法会将runState置为SHUTDOWN，会终止所有空闲的线程。shutdownNow方法将runState置为STOP。和shutdown方法的区别，这个方法会终止所有的线程。主要区别在于shutdown调用的是interruptIdleWorkers这个方法，而shutdownNow实际调用的是Worker类的interruptIfStarted方法：

他们的实现如下：

public void shutdown() {       final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;       mainLock.lock();       try {           checkShutdownAccess();           // 线程池状态设为SHUTDOWN，如果已经至少是这个状态那么则直接返回           advanceRunState(SHUTDOWN);           // 注意这里是中断所有空闲的线程：runWorker中等待的线程被中断 → 进入processWorkerExit →           // tryTerminate方法中会保证队列中剩余的任务得到执行。           interruptIdleWorkers();           onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor       } finally {           mainLock.unlock();       }       tryTerminate();   }public List shutdownNow() {   List tasks;   final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;   mainLock.lock();   try {       checkShutdownAccess();       // STOP状态：不再接受新任务且不再执行队列中的任务。       advanceRunState(STOP);       // 中断所有线程       interruptWorkers();       // 返回队列中还没有被执行的任务。       tasks = drainQueue();   }   finally {       mainLock.unlock();   }   tryTerminate();   return tasks;}private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {   final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;   mainLock.lock();   try {       for (Worker w : workers) {           Thread t = w.thread;           // w.tryLock能获取到锁，说明该线程没有在运行，因为runWorker中执行任务会先lock，           // 因此保证了中断的肯定是空闲的线程。           if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {               try {                   t.interrupt();               } catch (SecurityException ignore) {               } finally {                   w.unlock();               }           }           if (onlyOne)               break;       }   }   finally {       mainLock.unlock();   }}void interruptIfStarted() {   Thread t;   // 初始化时state == -1   if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {       try {           t.interrupt();       } catch (SecurityException ignore) {       }   }}

线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池

      public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,              int maximumPoolSize,              long keepAliveTime,              TimeUnit unit,              BlockingQueue workQueue) {       // threadFactory用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字       this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,               Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);   }

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

threadsPool.execute(new Runnable() {       @Override       public void run() {       }   });

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

Future future = executor.submit(harReturnValuetask); try   {       Object s = future.get();   }catch(   InterruptedException e)   {       // 处理中断异常   }catch(   ExecutionException e)   {       // 处理无法执行任务异常   }finally   {       // 关闭线程池       executor.shutdown();   }

关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

合理的配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析。

任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。

任务的优先级：高、中和低。

任务的执行时间：长、中和短。

任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。由于IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行

如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不能执行。执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点儿，比如几千。有时候我们系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了，不断抛出抛弃任务的异常，通过排查发现是数据库出现了问题，导致执行SQL变得非常缓慢，因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的，所以导致线程池里的工作线程全部阻塞，任务积压在线程池里。如果当时我们设置成无界队列，那么线程池的队列就会越来越多，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用，而不只是后台任务出现问题。当然，我们的系统所有的任务是用单独的服务器部署的，我们使用不同规模的线程池完成不同类型的任务，但是出现这样问题时也会影响到其他任务。

线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控，方便在出现问题时，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性

• taskCount：线程池需要执行的任务数量。
• completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
• largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
• getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
• getActiveCount：获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。