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线程池简介
Java在使用线程执行程序时，需要调用操作系统内核的API创建一个内核线程，操作系统要为线程分配一系列的资源；当该Java线程被终止时，对应的内核线程也会被回收。因此，频繁的创建和销毁线程需要消耗大量资源。此外，由于CPU核数有限，大量的线程上下文切换会增加系统的性能开销，无限制地创建线程还可能导致内存溢出。为此，Java在JDK1.5版本中引入了线程池。
线程池是一种重用线程的机制，用于提高线程的利用率和管理线程的生命周期，常用于多线程编程和异步编程。
通过引入线程池：
- 1）降低资源消耗：线程池中的线程可以重复使用，避免因频繁创建和销毁线程而带来的性能开销。
- 2）提高响应速度：向线程池中提交任务时，无需创建线程即可执行任务处理。
- 3）方便线程管理：线程池可以对其中的线程进行统一管理、监控，避免因大量创建线程而导致内存溢出。
Java线程实现原理请移步主页查阅->「超级详细」Java线程实现原理。
线程池实现原理
Java线程池的核心实现类为ThreadPoolExecutor。
ThreadPoolExecutor依赖关系
ThreadPoolExecutor依赖关系图：
其中：
- Executor（接口）：该接口线程池处理任务的顶级接口，定义了一个用于执行任务的方法execute(Runnable command)。其中参数command为实现了Runnable或Callable接口的Task任务。
- ExecutorService（接口）：该接口继承了Executor接口，它扩展了Executor接口，并添加了一些管理线程池的方法（如：提交任务、关闭线程池等）。
- AbstractExecutorService（抽象类）：该类实现了ExecutorService接口。
构造函数
如ThreadPoolExecutor依赖关系图所示，ThreadPoolExecutor类提供了四个构造函数，其中原始的构造函数（另外三个构造函数由原始构造函数衍生而来）：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}核心参数：
- corePoolSize：线程池中的核心线程数，当向线程池中提交任务时，线程池创建新线程执行任务处理，直到当前线程数达到corePoolSize设定的值。此时提交的新任务会被添加到阻塞队列中，等待其他线程执行完成。默认情况下，空闲的核心线程并不会被回收（即：属性allowCoreThreadTimeOut的值默认为false），如果需要回收空闲的核心线程，设置属性allowCoreThreadTimeOut的值为true即可。
- maximumPoolSize：线程池中的最大线程数，当线程池中的线程数达到corePoolSize设定的值且核心线程均被占用时，如果阻塞队列已满并向线程池中继续提交任务，则创建新的线程执行任务处理，直到当前线程数达到maximumPoolSize设定的值。
- keepAliveTime：线程池中线程的存活时间，该参数只会在线程数大于corePoolSize设定的值时才生效，即：非核心线程的空闲时间超过keepAliveTime设定的值时会被回收。
- unit：线程池中参数keepAliveTime的时间单位，默认为TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒），其他时间单位：
- TimeUnit.NANOSECONDS（纳秒）
- TimeUnit.MICROSECONDS（微秒）
- TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）
- TimeUnit.SECONDS（秒）
- TimeUnit.MINUTES（分钟）
- TimeUnit.HOURS（小时）
- TimeUnit.DAYS（天）
- workQueue：线程池中保存任务的阻塞队列，当线程池中的线程数达到corePoolSize设定的值，继续提交任务时会将任务添加到阻塞队列中等待。默认为LinkedBlockingQueue，可选择的阻塞队列：
- LinkedBlockingQueue（基于链表实现的阻塞队列）。
- ArrayBlockingQueue（基于数组实现的阻塞队列）。
- SynchronousQueue（只有一个元素的阻塞队列）。
- PriorityBlockingQueue（实现了优先级的阻塞队列）。
- DelayQueue（实现了延迟功能的阻塞队列）。
- threadFactory：线程池中创建线程的工厂，可以通过自定义线程工厂的方式为线程设置一个便于识别的线程名，默认为DefaultThreadFactory。
- handler：线程池的拒绝策略（又称饱和策略），当线程池中的线程数达到maximumPoolSize设定的值且阻塞队列已满时，继续向线程池中提交任务，就会触发拒绝策略，默认为AbortPolicy。可选的拒绝策略：
- AbortPolicy：丢弃任务，并抛出RejectedExecutionException异常。
- DiscardPolicy：丢弃任务，不抛出异常。
- DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最早的未处理的任务，执行当前任务。
- CallerRunsPolicy：由调用者所在的线程来执行任务。
线程池生命周期
在ThreadPoolExecutor类中定义了线程池的五种状态。
源码如下：
// ctl共32位，其中高3位表示线程池运行状态，低29位表示线程池中的线程数量。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 二进制为0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
RUNNING状态：二进制为111 00000000000000000000000000000
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
SHUTDOWN状态：二进制为000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
STOP状态：二进制为001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
TIDYING状态：二进制为010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
TERMINATED状态：二进制011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 线程池中的线程数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }其中：
ctl是一个AtomicInteger类型的变量：
- 高3位表示线程池的运行状态。
- 低29位表示线程池中的线程数量。
线程池运行状态：
- RUNNING：处于RUNNING状态的线程池会接受新任务提交，同时也会处理任务队列中的任务。
- SHUTDOWN：处于RUNNING状态的线程池不会接受新任务提交，但是会处理任务队列中的任务。
- STOP：处于STOP状态的线程池不会接受新任务提交，也不会处理任务队列中的任务，并且会中断正在执行的任务。
- TIDYING：当所有的任务已终止、workerCount数量为0时，线程池会进入TIDYING状态，进入TIDYING状态会执行钩子方法terminated()。
- TERMINATED：执行完钩子方法terminated()后进入TERMINATED状态，此时线程池已终止。
线程池状态转换，如图所示：
工作线程
Worker（工作线程）是ThreadPoolExecutor的一个内部类，它继承了AbstractQueuedSynchronizer（即：AQS）并实现了Runnable接口。其中：
- 通过继承AbstractQueuedSynchronizer类，可以控制在主线程中调用shutdown()方法时不会中断正在执行的工作线程。注意：调用shutdownNow()时会中断正在执行的工作线程。
- 通过实现Runnable接口，可以在run()方法中调用ThreadPoolExecutor#runWorker方法执行任务处理。
提交任务
向线程池中提交任务的方式有两种：
- 1）调用execute()方法。
- 2）调用submit()方法。
execute与submit的区别：
- 1）execute是Executor接口的方法，submit是ExecuteService接口的方法。
- 2）execute的入参为Runnable，submit的入参可以为Runnable、Callable、Runnable和一个返回值。
- 3）execute没有返回值，submit有返回值。
- 4）异常处理：execute会直接抛出异常，submit会在获取结果时抛出异常，如果不获取结果，submit不抛出异常。
以execute()方法为例，ThreadPoolExecutor实现了Executor接口定义的execute(Runnable command) 方法，该方法的主要作用是将任务提交到线程池中的执行。
execute(Runnable command) 方法源码如下：
public void execute(Runnable command) {
// 如果command为null，则抛出空指针异常
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 获取ctl变量值，ctl低29位用来表示线程池中的线程数量。
int c = ctl.get();
// 如果线程池中的线程数小于设定的核心线程数，则将任务封装成Worker线程并调用其start()方法启动线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 如果线程池处于运行状态并向任务队列中添加任务成功，则执行如下逻辑（此处线程池中的线程数大于等于核心线程数）
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 继续判断线程池处于运行状态，如果线程池不是运行状态且从线程池中移除任务成功，则执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果线程池中线程数为0，则创建Worker线程并执行任务
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 如果创建Worker线程失败，则执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}ThreadPoolExecutor的execute()方法执行逻辑，如图所示：
处理流程：
- 主线程通过execute()方法向线程池中提交任务：
- 线程池中的线程数小于核心线程数，继续向线程池中提交任务时，创建线程执行任务处理。
- 线程池中的线程数大于等于核心线程数：
- 如果阻塞队列未满，继续向线程池中提交任务时，将任务添加到阻塞队列中，等待处理。
- 如果阻塞队列已满且线程数小于最大线程数，继续向线程池中提交任务时，创建线程执行任务处理。
- 如果阻塞队列已满且线程数大于等于最大线程数，继续向线程池中提交任务时，执行拒绝策略。
执行任务
任务提交到线程池中后，会执行工作线程（Worker）的ThreadPoolExecutor.Worker#run方法执行任务处理，而run()方法中会调用ThreadPoolExecutor#runWorker方法。
ThreadPoolExecutor#runWorker方法中，通过自旋的方式从Worker工作线程或阻塞队列中获取任务进行处理：
- 如果Worker工作线程中存在任务，则执行Worker工作线程中的任务。
- 如果Worker工作线程中不存在任务，则通过getTask()方法从获取任务，并执行该任务。
- 如果Worker工作线程和阻塞队列中没有可执行的任务，则退出并销毁Worker工作线程。
线程池工作流程
线程池工作流程，如图所示：
处理流程：
- 向线程池中提交任务，判断线程池中线程数是否小于核心线程数：
- 线程数小于核心线程数，则创建线程执行任务处理。
- 线程数大于等于核心线程数，则判断线程池中阻塞队列是否已满：
- 阻塞队列未满，则将任务添加到阻塞队列中，等待执行。
- 阻塞队列已满，则判断线程池中的线程数是否小于最大线程数：
- 线程数小于最大线程数，则创建线程执行任务处理。
- 线程数大于等于最大线程数，则执行拒绝策略。
线程池创建方式
线程池的创建方式一般分为两种：
- 通过Executors类创建线程池。
- 通过ThreadPoolExecutor类创建线程池。
通过Executors类创建线程池
Executors类是JDK提供的一个创建线程池的工具类，内部通过调用ThreadPoolExecutor构造函数来实现，通过该类提供的静态方法可以快速创建一些常用线程池。
newFixedThreadPool
创建一个固定大小的线程池，可控制并发的线程数，超出的线程会在队列中等待。
静态方法：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}其中：
- 核心线程数为初始化时指定的线程数，核心线程数等于最大线程数。
- 线程存活时间keepAliveTime为0，表示线程空闲时立刻被回收。
- 阻塞队列为LinkedBlockingQueue（默认值）。
newCachedThreadPool
创建一个可缓存的线程池，该线程池的大小为Integer.MAX_VALUE，对于提交的新任务：
- 如果存在空闲线程，则使用空闲线程来执行任务处理。
- 如果不存在空闲线程，则新建一个线程来执行任务处理。
- 如果线程池中的线程数超过处理任务需要的线程数，则空闲线程缓存一段时间（60s）后会被回收。
静态方法：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}其中：
- 核心线程数为0。
- 最大线程数为Integer.MAX_VALUE。
- 线程存活时间keepAliveTime为60s。
- 阻塞队列为SynchronousQueue（同步队列）。
newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池，它只有一个工作线程来执行任务，所有任务按照先进先出的顺序执行。
静态方法：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}其中：
- 核心线程数为1。
- 最大线程数为1。
- 线程存活时间keepAliveTime为0，表示线程空闲时立刻被回收。
- 阻塞队列为LinkedBlockingQueue。
newScheduledThreadPool
创建一个计划线程池，支持定时或周期性的执行任务（如：延时任务）。
静态方法：
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}其中：
- 核心线程数为初始化时指定的线程数。
- 最大线程数为Integer.MAX_VALUE。
- 线程存活时间keepAliveTime为0，表示线程空闲时立刻被回收。
- 阻塞队列为DelayedWorkQueue（延时队列）。
其他线程池
Executors工具类除了能快速创建以上的常用线程池外，还可以创建很多其他线程池。如：
- Executors.newSingleThreadScheduledExecutor：创建一个单线程化的计划线程池（newScheduledThreadPool的单线程版本）。
- Executors.newWorkStealingPool：创建一个抢占式执行的线程池（任务执行顺序不确定），该线程池JDK1.8添加。
代码示例：
/**
* @author 南秋同学
* Executors类创建线程池
*/
@Slf4j
public class ExecutorsExample {
/**
* 创建一个固定大小的线程池
*/
private static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
// 在线程池中执行任务
executor.execute(new Task());
}
}
/**
* 任务线程
*/
static class Task implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
log.info("执行线程：{}", Thread.currentThread().getName());
} catch (InterruptedException e) {
log.info("线程中断异常");
}
}
}
}不推荐使用Executors类创建线程池，主要原因：Executors类创建线程池默认使用LinkedBlockingQueue，LinkedBlockingQueue默认大小为Integer.MAX_VALUE（相当于无界队列），在高负载情况下很容易导致OOM。因此，强烈建议使用有界队列创建线程池。
通过ThreadPoolExecutor类创建线程池
通过ThreadPoolExecutor类手动创建线程池（推荐方式）。
代码示例：
/**
* @author 南秋同学
* ThreadPoolExecutor类创建线程池
*/
@Slf4j
public class ThreadPoolExecutorExample {
/**
* 定义线程池
*/
private static ExecutorService pool ;
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
pool = new ThreadPoolExecutor(1, 2, 0,
TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<>(5),
Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
);
// 在线程池中执行任务
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
pool.execute(new ThreadPoolExecutorExample.Task());
}
}
/**
* 任务线程
*/
static class Task implements Runnable {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
log.info("执行线程：{}", Thread.currentThread().getName());
} catch (InterruptedException e) {
log.info("线程中断异常");
}
}
}
}其他推荐方式：通过commons-lang3、com.google.guava等工具包创建线程池，创建示例自行查阅相关资料即可。
线程池大小设置
在并发编程领域，提升性能本质上就是提升硬件的利用率（即：提升CPU和I/O设备综合利用率）的问题。因此，线程池大小需要根据CPU密集型和I/O密集型场景进行设置：
- 对于CPU密集型场景，线程池大小一般设置为：CPU核数 + 1。
- 对于I/O密集型场景，线程池大小一般设置为：CPU核数 * [1 +（I/O耗时 / CPU耗时）]。
以上公式仅作为参考值，具体情况需要根据压测情况进行设置。
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【作者简介】
一枚热爱技术和生活的老贝比，专注于Java领域，关注【南秋同学】带你一起学习成长～
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