原创

Java线程池的实现原理

1.线程池状态

在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：

// runState is stored in the high-order bits
volatile int runState;

private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;

runState表示当前线程池的状态，它是一个volatile变量用来保证线程之间的可见性；下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值。当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。

2.任务的执行

在了解将任务提交给线程池到任务执行完毕整个过程之前，我们先来看一下ThreadPoolExecutor类中其他的一些比较重要成员变量：

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;              //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();   //线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小
                                                              //、runState等）的改变都要使用这个锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();  //用来存放工作集
 
private volatile long  keepAliveTime;    //线程存货时间   
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;   //是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile int   corePoolSize;     //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列）
private volatile int   maximumPoolSize;   //线程池最大能容忍的线程数
 
private volatile int   poolSize;       //线程池中当前的线程数
 
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略
 
private volatile ThreadFactory threadFactory;   //线程工厂，用来创建线程
 
private int largestPoolSize;   //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数
 
private long completedTaskCount;   //用来记录已经执行完毕的任务个数

下面解释下一下构造器中各个参数的含义：

corePoolSize：核心池的大小，这个参数与后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
maximumPoolSize：线程池最大线程数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize：即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize；但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0；
unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性，以及TimeUtil的源码展示：
- workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，这个参数的选择会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：
```
ArrayBlockingQueue;
LinkedBlockingQueue;
SynchronousQueue;
```
ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。
- threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
- handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：
```
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy;//丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy;//也是丢弃任务，但是不抛出异常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy;//丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy;//由调用线程处理该任务
```

3.线程池中的线程初始化

默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：

prestartCoreThread()：初始化一个核心线程；
prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心线程

下面是这2个方法的实现：

public boolean prestartCoreThread() {
    return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null
}
 
public int prestartAllCoreThreads() {
    int n = 0;
    while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null
        ++n;
    return n;
}

注意上面传进去的参数是null，根据第2小节的分析可知如果传进去的参数为null，则最后执行线程会阻塞在getTask方法中的

r = workQueue.take();

即等待任务队列中有任务。

4.任务缓存队列及排队策略

在前面我们多次提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。 workQueue的类型为BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三种类型：

ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；
LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；
synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。

5.任务拒绝策略

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，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy;//丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy;//也是丢弃任务，但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy;//丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy;//由调用线程处理该任务