深刻源碼分析Java線程池的實現原理

程序的運行，其本質上，是對系統資源（CPU、內存、磁盤、網絡等等）的使用。如何高效的使用這些資源是咱們編程優化演進的一個方向。今天說的線程池就是一種對CPU利用的優化手段。

網上有很多介紹如何使用線程池的文章，那我想說點什麼呢？我但願經過學習線程池原理，明白全部池化技術的基本設計思路。遇到其餘類似問題能夠解決。

池化技術

前面提到一個名詞——池化技術，那麼到底什麼是池化技術呢？

池化技術簡單點來講，就是提早保存大量的資源，以備不時之需。在機器資源有限的狀況下，使用池化技術能夠大大的提升資源的利用率，提高性能等。

在編程領域，比較典型的池化技術有：

線程池、鏈接池、內存池、對象池等。

本文主要來介紹一下其中比較簡單的線程池的實現原理，但願讀者們能夠觸類旁通，經過對線程池的理解，學習並掌握全部編程中池化技術的底層原理。

建立一個線程

在Java的併發編程中，線程是十分重要的，在Java中，建立一個線程比較簡單：

public class App {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("線程運行中");
            }
        }).start();
    }
}

咱們經過建立一個線程對象，而且實現Runnable接口就能夠實現一個簡單的線程。能夠利用上多核CPU。當一個任務結束，當前線程就接收。

但不少時候，咱們不止會執行一個任務。若是每次都是如此的建立線程->執行任務->銷燬線程，會形成很大的性能開銷。

那可否一個線程建立後，執行完一個任務後，又去執行另外一個任務，而不是銷燬。這就是線程池。

這也就是池化技術的思想，經過預先建立好多個線程，放在池中，這樣能夠在須要使用線程的時候直接獲取，避免屢次重複建立、銷燬帶來的開銷。

線程池的簡單使用

如下代碼，是在Java中建立線程池：

import java.util.concurrent.*;

public class App {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                60L, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(10));

        executorService.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("abcdefg");
            }
        });

        executorService.shutdown();
    }
}

Jdk提供給外部的接口也很簡單。直接調用ThreadPoolExecutor構造一個就能夠了，也能夠經過Executors靜態工廠構建，但通常不建議。

能夠看到，開發者想要在代碼中使用線程池仍是比較簡單的，這得益於Java給咱們封裝好的一系列API。可是，這些API的背後是什麼呢，讓咱們來揭開這個迷霧，看清線程池的本質。

線程池構造函數

一般，通常構造函數會反映出這個工具或這個對象的數據存儲結構。

若是把線程池比做一個公司。公司會有正式員工處理正常業務，若是工做量大的話，會僱傭外包人員來工做。

閒時就能夠釋放外包人員以減小公司管理開銷。一個公司由於成本關係，僱傭的人員始終是有最大數。

若是這時候還有任務處理不過來，就走需求池排任務。

• acc : 獲取調用上下文

• corePoolSize: 核心線程數量，能夠類比正式員工數量，常駐線程數量。

• maximumPoolSize: 最大的線程數量，公司最多僱傭員工數量。常駐+臨時線程數量。

• workQueue：多餘任務等待隊列，再多的人都處理不過來了，須要等着，在這個地方等。

• keepAliveTime：非核心線程空閒時間，就是外包人員等了多久，若是尚未活幹，解僱了。

• threadFactory: 建立線程的工廠，在這個地方能夠統一處理建立的線程的屬性。每一個公司對員工的要求不同，恩，在這裏設置員工的屬性。

• handler：線程池拒絕策略，什麼意思呢？就是當任務實在是太多，人也不夠，需求池也排滿了，還有任務咋辦？默認是不處理，拋出異常告訴任務提交者，我這忙不過來了。

添加一個任務

接着，咱們看一下線程池中比較重要的execute方法，該方法用於向線程池中添加一個任務。

核心模塊用紅框標記了。

• 第一個紅框：workerCountOf方法根據ctl的第29位，獲得線程池的當前線程數，若是線程數小於corePoolSize，則執行addWorker方法建立新的線程執行任務；

• 第二個紅框：判斷線程池是否在運行，若是在，任務隊列是否容許插入，插入成功再次驗證線程池是否運行，若是不在運行，移除插入的任務，而後拋出拒絕策略。若是在運行，沒有線程了，就啓用一個線程。

• 第三個紅框：若是添加非核心線程失敗，就直接拒絕了。

這裏邏輯稍微有點複雜，畫了個流程圖僅供參考

接下來，咱們看看如何添加一個工做線程的？

添加worker線程

從方法execute的實現能夠看出：addWorker主要負責建立新的線程並執行任務，代碼以下（這裏代碼有點長，不要緊，也是分塊的，總共有5個關鍵的代碼塊）：

• 第一個紅框：作是否可以添加工做線程條件過濾：

  • 判斷線程池的狀態，若是線程池的狀態值大於或等SHUTDOWN，則不處理提交的任務，直接返回；

• 第二個紅框：作自旋，更新建立線程數量：

  • 經過參數core判斷當前須要建立的線程是否爲核心線程，若是core爲true，且當前線程數小於corePoolSize，則跳出循環，開始建立新的線程

有人或許會疑問 retry 是什麼？這個是java中的goto語法。只能運用在break和continue後面。

接着看後面的代碼：

• 第一個紅框：獲取線程池主鎖。

  • 線程池的工做線程經過Woker類實現，經過ReentrantLock鎖保證線程安全。

• 第二個紅框：添加線程到workers中（線程池中）。

• 第三個紅框：啓動新建的線程。

接下來，咱們看看workers是什麼。

一個hashSet。因此，線程池底層的存儲結構其實就是一個HashSet。

worker線程處理隊列任務

• 第一個紅框：是不是第一次執行任務，或者從隊列中能夠獲取到任務。

• 第二個紅框：獲取到任務後，執行任務開始前操做鉤子。

• 第三個紅框：執行任務。

• 第四個紅框：執行任務後鉤子。

這兩個鉤子（beforeExecute，afterExecute）容許咱們本身繼承線程池，作任務執行先後處理。

到這裏，源代碼分析到此爲止。接下來作一下簡單的總結。

總結

所謂線程池本質是一個hashSet。多餘的任務會放在阻塞隊列中。

只有當阻塞隊列滿了後，纔會觸發非核心線程的建立。因此非核心線程只是臨時過來打雜的。直到空閒了，而後本身關閉了。

線程池提供了兩個鉤子（beforeExecute，afterExecute）給咱們，咱們繼承線程池，在執行任務先後作一些事情。

線程池原理關鍵技術：鎖（lock,cas）、阻塞隊列、hashSet（資源池）

最後但願對你理解線程池有幫助。最後，留一個思考題，爲何線程池的底層數據接口採用HashSet來實現？