线程池原理解析

版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/divaid/article/details/82285978

背景：

为什么使用线程池：
减少线程的创建销毁次数：当有定时任务时一直创建销毁会制造处比较多的垃圾线程，从而导致GC比较频繁，尤其是当线程是占用内存比较大时会造成内存抖动；而使用了线程池之后可以重用工作线程从而不必一直创建销毁进而提升性能。

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：

1. newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
2. newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
3. newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
4. newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

具体使用：

一. newCachedThreadPool：

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。示例代码如下：

    ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        final int index = i;
        try {
            Thread.sleep(index * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        cachedThreadPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(index);
            }
        });
    }

线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

二. newFixedThreadPool：

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    final int index = i;

    fixedThreadPool.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
try {
    System.out.println(index);
    Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
    // TODO Auto-generated catch block
    e.printStackTrace();
    }
}
});
}

因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 5秒，所以每两秒打印3个数字。

定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()。可参考PreloadDataCache。

三. newScheduledThreadPool：

创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下：

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
 scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {

@Override
public void run() {
    System.out.println("delay 3 seconds");
}
}, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟3秒执行。

定期执行示例代码如下：

scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {

@Override
public void run() {
    System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");
}
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

表示延迟1秒后每3秒执行一次。

ScheduledExecutorService比Timer更安全，功能更强大

四.newSingleThreadExecutor：
创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下：

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
    try {
        System.out.println(index);
    Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
    // TODO Auto-generated catch block
    e.printStackTrace();
        }
}
    });
}

结果依次输出，相当于顺序执行各个任务,一般用于执行定时任务。

具体实现：

看完背景与使用之后再看下实现：

在Executors中的实现如下：

newScheduledThreadPool一会单独拿出来说；

可以看出上面三个实现方法都是创建了同一个类对象，只不过是工作线程数量不同而已，
因此我们来看下ThreadPoolExecutor这个构造方法的实现：

根据说明我们可以看出需要的参数有核心线程池数量，最大线程池数量，及不是核心线程池的闲置时间，及时间单位，及任务队列（实现是通过继承Collection实现的，因此直接可以看成集合即可）。

Executors.defaultThreadFactory()的实现如下：

可以看出是创建了DefaultThreadFactory对象用于创建同作线程，而最后一个参数defaultHandler用于处理一些异常的不必太多关注。

好了说完创建在说执行，当我们添加一个任务时：

可添加任务时调用addWorder，不能在添加时调用reject，下面看下addWorder：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // Check if queue empty only if necessary.
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int rs = runStateOf(ctl.get());

                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }


Worder的实现：
private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
        /**
         * This class will never be serialized, but we provide a
         * serialVersionUID to suppress a javac warning.
         */
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

        /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
        final Thread thread;
        /** Initial task to run.  Possibly null. */
        Runnable firstTask;
        /** Per-thread task counter */
        volatile long completedTasks;

        /**
         * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
         * @param firstTask the first task (null if none)
         */
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

        /** Delegates main run loop to outer runWorker. */
        public void run() {
            runWorker(this);
        }

        // Lock methods
        //
        // The value 0 represents the unlocked state.
        // The value 1 represents the locked state.

        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }

        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        protected boolean tryRelease(int unused) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        public void lock()        { acquire(1); }
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        public void unlock()      { release(1); }
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }

        void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }
    }

其他的代码是一些异常处理的逻辑，主要注意：t.start();这行代码这个就是最终执行任务的代码，在Worder中的Thread对象执行任务直接调用start执行，因此可以总结：线程池是把任务保存到队列中，然后在添加任务后调用工作线程去执行任务。

下面看下scheduledThreadPool的实现：


实现不必细说，单线程的定时任务线程池只是把ScheduledThreadPoolExecutor（）中的线程池数量传入了1，其中ScheduledThreadPoolExecutor是继承自线程池，只是添加了定时执行任务的功能，ScheduledFutureTask继承自Runnable其中多了是定时执行任务的间隔时间等一些属性。
主要看下execute方法：

看下schedule的实现：

看下delayedExecute的实现：

其中ensurePrestart的实现如下：

void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    if (wc < corePoolSize)
        addWorker(null, true);
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
}

可以看出又执行到了addWorder处；ScheduledFutureTask的run方法：

定时执行逻辑主要看下面这三个方法：
1. runAndReset：任务执行完重置为初始状态，等待下一次执行；
2. setNextRunTime：计算下次执行时间；
3. reExecutePeriodic：再调度任务。

因此可以大概总结是在线程池的基础之上加了定时的逻辑。