java线程池的实现原理源码分析

Java线程池的实现原理源码分析

目录

1. 引言
2. 线程池的基本概念
   • 2.1 什么是线程池
   • 2.2 线程池的优势
   • 2.3 线程池的核心参数
3. Java线程池的实现
   • 3.1 ThreadPoolExecutor类
   • 3.2 线程池的状态
   • 3.3 线程池的工作流程
4. 线程池的核心源码分析
   • 4.1 ThreadPoolExecutor的构造方法
   • 4.2 execute方法
   • 4.3 addWorker方法
   • 4.4 runWorker方法
   • 4.5 getTask方法
   • 4.6 processWorkerExit方法
5. 线程池的拒绝策略
   • 5.1 拒绝策略的实现
   • 5.2 自定义拒绝策略
6. 线程池的监控与调优
   • 6.1 线程池的监控
   • 6.2 线程池的调优
7. 总结

引言

在多线程编程中，线程池是一种非常重要的技术。它可以帮助我们有效地管理线程资源，避免频繁地创建和销毁线程，从而提高系统的性能和稳定性。Java提供了java.util.concurrent包来支持线程池的实现，其中最核心的类是ThreadPoolExecutor。本文将深入分析ThreadPoolExecutor的实现原理，并通过源码解析其工作流程。

线程池的基本概念

2.1 什么是线程池

线程池是一种多线程处理形式，它通过预先创建一定数量的线程，并将任务提交到线程池中执行，从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。线程池中的线程可以重复使用，执行完一个任务后，线程不会被销毁，而是继续执行下一个任务。

2.2 线程池的优势

• 降低资源消耗：通过重复利用已创建的线程，减少线程创建和销毁的开销。
• 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
• 提高线程的可管理性：线程池可以对线程进行统一管理，如控制线程的数量、监控线程的状态等。

2.3 线程池的核心参数

• corePoolSize：核心线程数，线程池中保持的最小线程数。
• maximumPoolSize：最大线程数，线程池中允许的最大线程数。
• keepAliveTime：线程空闲时间，超过该时间的空闲线程将被回收。
• workQueue：任务队列，用于存放待执行的任务。
• threadFactory：线程工厂，用于创建新线程。
• handler：拒绝策略，当任务无法被线程池执行时的处理策略。

Java线程池的实现

3.1 ThreadPoolExecutor类

ThreadPoolExecutor是Java线程池的核心实现类，它提供了线程池的基本功能。ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService，并实现了ExecutorService接口。

3.2 线程池的状态

ThreadPoolExecutor使用一个AtomicInteger类型的变量ctl来表示线程池的状态和线程数量。ctl的高3位表示线程池的状态，低29位表示线程池中的线程数量。

线程池的状态包括：

• RUNNING：运行状态，可以接受新任务并处理队列中的任务。
• SHUTDOWN：关闭状态，不再接受新任务，但会处理队列中的任务。
• STOP：停止状态，不再接受新任务，也不处理队列中的任务，并中断正在执行的任务。
• TIDYING：整理状态，所有任务都已终止，线程池即将终止。
• TERMINATED：终止状态，线程池已完全终止。

3.3 线程池的工作流程

1. 当有任务提交到线程池时，线程池首先会判断当前线程数是否小于核心线程数。如果小于，则创建新线程执行任务。
2. 如果当前线程数已达到核心线程数，则将任务放入任务队列中等待执行。
3. 如果任务队列已满，且当前线程数小于最大线程数，则创建新线程执行任务。
4. 如果当前线程数已达到最大线程数，且任务队列已满，则根据拒绝策略处理任务。

线程池的核心源码分析

4.1 ThreadPoolExecutor的构造方法

ThreadPoolExecutor提供了多个构造方法，最常用的构造方法如下：

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.corePoolSize = corePoolSize; this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; this.workQueue = workQueue; this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime); this.threadFactory = threadFactory; this.handler = handler; } 

该构造方法初始化了线程池的核心参数，包括核心线程数、最大线程数、空闲时间、任务队列、线程工厂和拒绝策略。

4.2 execute方法

execute方法是线程池的核心方法，用于提交任务到线程池中执行。其源码如下：

public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); if (!isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } else if (!addWorker(command, false)) reject(command); } 

execute方法的主要逻辑如下：

1. 首先检查任务是否为null，如果是则抛出NullPointerException。
2. 获取当前线程池的状态和线程数量。
3. 如果当前线程数小于核心线程数，则尝试创建新线程执行任务。
4. 如果当前线程数已达到核心线程数，则将任务放入任务队列中。
5. 如果任务队列已满，则尝试创建新线程执行任务。
6. 如果无法创建新线程，则根据拒绝策略处理任务。

4.3 addWorker方法

addWorker方法用于创建新线程并执行任务。其源码如下：

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; } 

addWorker方法的主要逻辑如下：

1. 首先检查线程池的状态，如果线程池已关闭且任务队列为空，则返回false。
2. 然后检查当前线程数是否超过限制，如果超过则返回false。
3. 使用CAS操作增加线程数量，如果成功则跳出循环。
4. 创建Worker对象，并将其添加到workers集合中。
5. 启动Worker线程，如果启动成功则返回true，否则调用addWorkerFailed方法进行清理。

4.4 runWorker方法

runWorker方法是Worker线程的执行逻辑。其源码如下：

final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { while (task != null || (task = getTask()) != null) { w.lock(); // If pool is stopping, ensure thread is interrupted; // if not, ensure thread is not interrupted. This // requires a recheck in second case to deal with // shutdownNow race while clearing interrupt if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { task.run(); } catch (RuntimeException x) { thrown = x; throw x; } catch (Error x) { thrown = x; throw x; } catch (Throwable x) { thrown = x; throw new Error(x); } finally { afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } } 

runWorker方法的主要逻辑如下：

1. 首先获取当前线程和任务。
2. 如果任务不为null，则执行任务。
3. 如果任务为null，则调用getTask方法从任务队列中获取任务。
4. 在执行任务之前，调用beforeExecute方法进行前置处理。
5. 执行任务，并捕获可能抛出的异常。
6. 在执行任务之后，调用afterExecute方法进行后置处理。
7. 如果任务执行过程中发生异常，则标记completedAbruptly为true。
8. 最后调用processWorkerExit方法处理线程退出。

4.5 getTask方法

getTask方法用于从任务队列中获取任务。其源码如下：

private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } int wc = workerCountOf(c); // Are workers subject to culling? boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } } 

getTask方法的主要逻辑如下：

1. 首先检查线程池的状态，如果线程池已关闭且任务队列为空，则减少线程数量并返回null。
2. 检查当前线程数是否超过最大线程数，或者线程是否允许超时回收。
3. 如果线程允许超时回收，则调用poll方法从任务队列中获取任务，如果超时则返回null。
4. 如果线程不允许超时回收，则调用take方法从任务队列中获取任务，如果任务队列为空则阻塞等待。

4.6 processWorkerExit方法

processWorkerExit方法用于处理线程退出。其源码如下：

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) { if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted decrementWorkerCount(); final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { completedTaskCount += w.completedTasks; workers.remove(w); } finally { mainLock.unlock(); } tryTerminate(); int c = ctl.get(); if (runStateLessThan(c, STOP)) { if (!completedAbruptly) { int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize; if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()) min = 1; if (workerCountOf(c) >= min) return; // replacement not needed } addWorker(null, false); } } 

processWorkerExit方法的主要逻辑如下：

1. 如果线程是异常退出，则减少线程数量。
2. 更新已完成任务的数量，并从workers集合中移除该线程。
3. 调用tryTerminate方法尝试终止线程池。
4. 如果线程池未停止，则根据当前线程数和任务队列的情况决定是否需要创建新线程。

线程池的拒绝策略

5.1 拒绝策略的实现

ThreadPoolExecutor提供了四种内置的拒绝策略：

• AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionException异常。
• CallerRunsPolicy：由调用线程直接执行任务。
• DiscardPolicy：直接丢弃任务，不做任何处理。
• DiscardOldestPolicy：丢弃任务队列中最旧的任务，然后重新尝试执行当前任务。

5.2 自定义拒绝策略

除了使用内置的拒绝策略外，我们还可以自定义拒绝策略。自定义拒绝策略需要实现RejectedExecutionHandler接口，并重写rejectedExecution方法。

public class CustomRejectedExecutionHandler implements RejectedExecutionHandler { @Override public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) { // 自定义拒绝策略的逻辑 } } 

线程池的监控与调优

6.1 线程池的监控

线程池的监控主要包括以下几个方面：

• 线程池的状态：可以通过isShutdown、isTerminated等方法监控线程池的状态。
• 线程池的线程数量：可以通过getPoolSize、getActiveCount等方法监控线程池中的线程数量。
• 任务队列的大小：可以通过getQueue方法获取任务队列，并监控其大小。
• 已完成任务的数量：可以通过getCompletedTaskCount方法获取已完成任务的数量。

6.2 线程池的调优

线程池的调优主要包括以下几个方面：

• 核心线程数的设置：核心线程数的设置应根据系统的负载情况和任务的特性进行调整。如果任务较多且执行时间较短，可以适当增加核心线程数；如果任务较少且执行时间较长，可以适当减少核心线程数。
• 最大线程数的设置：最大线程数的设置应根据系统的资源情况和任务的特性进行调整。如果系统的资源充足，可以适当增加最大线程数；如果系统的资源有限，应适当减少最大线程数。
• 任务队列的选择：任务队列的选择应根据任务的特性进行调整。如果任务较多且执行时间较短，可以选择SynchronousQueue；如果任务较少且执行时间较长，可以选择LinkedBlockingQueue。
• 拒绝策略的选择：拒绝策略的选择应根据任务的特性进行调整。如果任务的重要性较高，可以选择CallerRunsPolicy；如果任务的重要性较低，可以选择DiscardPolicy。

总结

本文详细分析了Java线程池的实现原理，并通过源码解析了ThreadPoolExecutor的工作流程。线程池是多线程编程中非常重要的技术，合理地使用线程池可以显著提高系统的性能和稳定性。在实际开发中，我们应根据系统的负载情况和任务的特性，合理地设置线程池的参数，并进行监控和调优，以确保线程池的高效运行。