深入源码分析 Java 线程池的实现原理

程序的运行,其本质上,是对系统资源(CPU、内存、磁盘、网络等等)的使用。如何高效的使用这些资源是我们编程优化演进的一个方向。今天说的线程池就是一种对CPU利用的优化手段。

网上有不少介绍如何使用线程池的文章,那我想说点什么呢?我希望通过学习线程池原理,明白所有 池化技术 的基本设计思路。遇到其他相似问题可以解决。

深入源码分析 Java 线程池的实现原理

池化技术

前面提到一个名词——池化技术,那么到底什么是池化技术呢?

池化技术简单点来说,就是提前保存大量的资源,以备不时之需。在机器资源有限的情况下,使用池化技术可以大大的提高资源的利用率,提升性能等。

在编程领域,比较典型的池化技术有:

线程池、 连接池 内存池、对象池等。

本文主要来介绍一下其中比较简单的线程池的实现原理,希望读者们可以举一反三,通过对线程池的理解,学习并掌握所有编程中池化技术的底层原理。

深入源码分析 Java 线程池的实现原理

创建一个线程

在Java的并发编程中,线程是十分重要的,在Java中,创建一个线程比较简单:

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

我们通过创建一个线程对象,并且实现Runnable接口就可以实现一个简单的线程。可以利用上多核CPU。当一个任务结束,当前线程就接收。

但很多时候,我们不止会执行一个任务。 如果每次都是如此的创建线程->执行任务->销毁线程,会造成很大的性能开销。

那能否一个线程创建后,执行完一个任务后,又去执行另一个任务,而不是销毁。这就是线程池。

这也就是池化技术的思想,通过预先创建好多个线程,放在池中,这样可以在需要使用线程的时候直接获取,避免多次重复创建、销毁带来的开销。

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线程池的简单使用

以下代码,是在Java中创建线程池:

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提供给外部的接口也很简单。直接调用ThreadPoolExecutor构造一个就可以了,也可以通过Executors静态工厂构建,但一般不建议。

可以看到,开发者想要在代码中使用线程池还是比较简单的,这得益于Java给我们封装好的一系列API。但是,这些API的背后是什么呢,让我们来揭开这个迷雾,看清线程池的本质。

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线程池构造函数

通常,一般构造函数会反映出这个工具或这个对象的数据存储结构。

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如果把线程池比作一个公司。公司会有正式员工处理正常业务,如果工作量大的话,会雇佣外包人员来工作。

闲时就可以释放外包人员以减少公司管理开销。一个公司因为成本关系,雇佣的人员始终是有最大数。

如果这时候还有任务处理不过来,就走需求池排任务。

  • acc : 获取调用上下文

  • corePoolSize: 核心线程数量,可以类比正式员工数量,常驻线程数量。

  • maximumPoolSize: 最大的线程数量,公司最多雇佣员工数量。常驻+临时线程数量。

  • workQueue:多余任务等待队列,再多的人都处理不过来了,需要等着,在这个地方等。

  • keepAliveTime:非核心线程空闲时间,就是外包人员等了多久,如果还没有活干,解雇了。

  • threadFactory: 创建线程的工厂,在这个地方可以统一处理创建的线程的属性。每个公司对员工的要求不一样,恩,在这里设置员工的属性。

  • handler:线程池拒绝策略,什么意思呢?就是当任务实在是太多,人也不够,需求池也排满了,还有任务咋办?默认是不处理,抛出异常告诉任务提交者,我这忙不过来了。

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添加一个任务

接着,我们看一下线程池中比较重要的execute方法,该方法用于向线程池中添加一个任务。

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核心模块用红框标记了。

  • 第一个红框: workerCountOf方法根据ctl的低29位,得到线程池的当前线程数,如果线程数小于corePoolSize,则执行addWorker方法创建新的线程执行任务;

  • 第二个红框:判断线程池是否在运行,如果在,任务队列是否允许插入,插入成功再次验证线程池是否运行,如果不在运行,移除插入的任务,然后抛出拒绝策略。如果在运行,没有线程了,就启用一个线程。

  • 第三个红框:如果添加非核心线程失败,就直接拒绝了。

这里逻辑稍微有点复杂,画了个流程图仅供参考

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接下来,我们看看如何添加一个工作线程的?

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添加worker线程

从方法execute的实现可以看出:addWorker主要负责创建新的线程并执行任务,代码如下(这里代码有点长,没关系,也是分块的,总共有5个关键的代码块):

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  • 第一个红框:做是否能够添加工作线程条件过滤:

    • 判断线程池的状态,如果线程池的状态值大于或等SHUTDOWN,则不处理提交的任务,直接返回;

  • 第二个红框:做自旋,更新创建线程数量:

    • 通过参数core判断当前需要创建的线程是否为核心线程,如果core为true,且当前线程数小于corePoolSize,则跳出循环,开始创建新的线程

有人或许会疑问 retry 是什么?这个是java中的goto语法。只能运用在break和continue后面。

接着看后面的代码:

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  • 第一个红框:获取线程池主

    • 线程池的工作线程通过Woker类实现,通过ReentrantLock锁保证线程安全

  • 第二个红框:添加线程到workers中(线程池中)。

  • 第三个红框:启动新建的线程。

接下来,我们看看workers是什么。

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一个hashSet。所以,线程池底层的存储结构其实就是一个HashSet

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worker线程处理队列任务

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  • 第一个红框:是否是第一次执行任务,或者从队列中可以获取到任务。

  • 第二个红框:获取到任务后,执行任务开始前操作钩子。

  • 第三个红框:执行任务。

  • 第四个红框:执行任务后钩子。

这两个钩子(beforeExecute,afterExecute)允许我们自己继承线程池,做任务执行前后处理。

到这里,源代码分析到此为止。接下来做一下简单的总结

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总结

所谓线程池本质是一个hashSet。多余的任务会放在阻塞队列中。

只有当阻塞队列满了后,才会触发非核心线程的创建。所以非核心线程只是临时过来打杂的。直到空闲了,然后自己关闭了。

线程池提供了两个钩子(beforeExecute,afterExecute)给我们,我们继承线程池,在执行任务前后做一些事情。

线程池原理关键技术:锁(lock,cas)、阻塞队列、hashSet(资源池)

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最后希望对你理解线程池有帮助。最后,留一个思考题,为什么线程池的底层数据接口采用HashSet来实现?

本文来自作者投稿,原作者『 林湾村龙猫 』,Hollis做了些补充、调整及修改。

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直面Java第147期:如何在泛型为Integer的List中添加Integer对象?

成神之路第013期:Java8中的Stream用法。

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原文 

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