概述

线程池，是资源池化思想的一种实现。线程是一种宝贵且有限的 CPU 资源，一个线程的创建跟销毁的成本是比较高的。
所以创建线程池，主要有以下两个目的：

• 复用线程：单个线程创建使用完毕后，可以不用立马销毁，而是把这个线程放入到线程池中，等待下次执行任务
• 管理线程：线程是一种宝贵且有限的 CPU 资源，其数量并不是无上限的
  • 可以通过线程池来限制创建线程的数量，也可以通过线程池来决定何时销毁冗余创建的线程
  • 在线程池中存在多个线程时，可以通过线程池来协调每个线程的任务执行情况，从而避免出现线程处于空闲状态，造成线程资源的浪费

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 是一个通用的线程池的实现，类图如下所示：

可以看到，ThreadPoolExecutor 主要实现了 Executor、ExecutorService、AbstractExecutorService

ThreadPoolExecutor 的主要属性

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();/*** Set containing all worker threads in pool. Accessed only when* holding mainLock.*/private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();/*** Wait condition to support awaitTermination*/private final Condition termination = mainLock.newCondition();/*** Tracks largest attained pool size. Accessed only under* mainLock.*/private int largestPoolSize;/*** Counter for completed tasks. Updated only on termination of* worker threads. Accessed only under mainLock.*/private long completedTaskCount;private volatile ThreadFactory threadFactory;/*** Handler called when saturated or shutdown in execute.*/private volatile RejectedExecutionHandler handler;/*** Timeout in nanoseconds for idle threads waiting for work.* Threads use this timeout when there are more than corePoolSize* present or if allowCoreThreadTimeOut. Otherwise they wait* forever for new work.*/private volatile long keepAliveTime;/*** If false (default), core threads stay alive even when idle.* If true, core threads use keepAliveTime to time out waiting* for work.*/private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;/*** Core pool size is the minimum number of workers to keep alive* (and not allow to time out etc) unless allowCoreThreadTimeOut* is set, in which case the minimum is zero.*/private volatile int corePoolSize;/*** Maximum pool size. Note that the actual maximum is internally* bounded by CAPACITY.*/private volatile int maximumPoolSize;/*** The default rejected execution handler*/private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =new AbortPolicy();

• 内置一个 AtomicInteger，高 3 位用于表示线程池当前状态，低 29 位用于表示线程个数
• 内置一个阻塞队列，用于核心线程都处于执行状态后保存任务
• 内置一个 ReentrantLock 独占锁，以及一个由锁对象创建出来的条件对象 Condition termination
• 一个去重集合 HashSet<Worker> workers，用于保存线程
• 历史出现过的最多线程数量 int largestPoolSize
• 已完成的任务数量 long completedTaskCount
• 由 volatile 关键字修饰的线程组 ThreadFactory threadFactory
• 由 volatile 关键字修饰的拒绝策略 RejectedExecutionHandler handler
• 由 volatile 关键字修饰的空闲线程最大存活时间 long keepAliveTime
• 由 volatile 关键字修饰的是否允许核心线程超时 boolean allowCoreThreadTimeOut
• 由 volatile 关键字修饰的核心线程数量 int corePoolSize
• 由 volatile 关键字修饰的最大线程数量 int maximumPoolSize
• 默认的拒绝策略 new AbortPolicy()，即默认的拒绝策略是抛出异常

Worker 主要属性

Worker 即工作线程。Worker 继承了 AQS 并实现了 Runnable 接口，主要有以下几个属性：

• Thread thread：线程对象
• Runnable firstTask：首次执行的任务

线程池的状态

线程池一共有 5 个状态，分别是：

• RUNNING：运行状态，接受新任务并且处理阻塞队列里的任务
• SHUTDOWN：标记关闭状态，拒绝新任务，但是处理正在执行和阻塞队列里的任务
• STOP：关闭状态，拒绝新任务并且清空阻塞队列，同时会中断所有线程
• TIDYING：清场状态，线程池和阻塞队列都为空，将要调用 terminated() 方法
• TERMINATED：终止状态。这是当 terminated() 方法调用完成之后的状态

线程池的状态流转

• 线程池一旦被创建，就是 RUNNING 状态，可以正常地执行任务，以及接受新任务
• 在 RUNNING 状态调用 shutdown() 方法后，线程池就会切换到 SHUTDOWN 状态，标记关闭状态下
  • 遍历线程池，当前所有空闲线程都会被调用 interrupt() 方法设置中断（ 被设置中断的线程将会从线程池中移除）
  • 不再接受新任务，新提交的任务将直接丢弃
  • 当前正在执行任务的线程把正在执行的任务继续完成，且这些线程将会继续从阻塞队列中获取任务执行
• 在 RUNNING 或者 SHUTDOWN 状态调用 shutdownNow() 方法后，线程池就会切换到 STOP 状态
  • 不再接受新任务
  • 遍历线程池，调用每个线程的 interrupt() 方法设置中断
  • 遍历阻塞队列，移除所有任务
• 在 SHUTDOWN 或者 STOP 状态持续一段时间后，当线程池中没有线程，并且阻塞队列也为空后，线程池将会切换到 TIDYING 状态
• TIDYING 状态将会做最后的收尾工作，确保所有资源都被释放

线程池提交任务的执行流程

• 当有新任务提交时，判断当前核心线程数是否小于最大核心线程数
  • 如果小于最大核心线程数，则创建一个新线程执行任务
• 如果大于核心线程数，则尝试将任务提交到阻塞队列中
  • 如果阻塞队列未满，则将任务提交到阻塞队列中
• 如果阻塞队列已满，则尝试开启新线程
  • 如果当前线程数量小于最大线程数，则创建一个新线程执行任务
  • 如果当前线程数量等于最大线程数，则执行拒绝策略
    • AbortPolicy：直接抛出异常
    • CallerRunsPolicy：由提交任务的线程执行
    • DiscardPolicy：直接丢弃任务
    • DiscardOldestPolicy：将阻塞队列队头的任务取出并丢弃，然后重试提交

线程数量的设置

线程数量的经验计算公式为：

线程数 = CPU 核心数 *（1 + 平均等待时间 / 平均工作时间）

线程池的种类

FixedThreadPool

FixedThreadPool，即固定数量线程池，特点是核心线程数量 = 最大线程数量，且阻塞队列容量较大甚至无界。

• 固定数量，意味着线程不会频繁地创建和销毁，在线程数量达到核心线程数量后，在执行任务过程中没有发生异常的情况下，线程数量将不会再发生变化
• 阻塞队列容量非常大，代表着任务可以被无条件地，一直不断地添加进来，可能会引发 GC 问题
  • 当任务的执行速度远小于任务的添加速度时，可能会导致阻塞队列中的节点数量特别巨大，吃光堆内存空间，导致 OOM

FixedThreadExecutor 适用于计算密集型任务, 确保 CPU 在长时间被单个工作线程使用的情况下, 尽可能少地创建、分配、销毁线程, 即适用于长期且数量可控的任务。

CachedThreadPool

CachedThreadPool，即缓存线程池，特点是

• 核心线程数量为 0，意味着在线程池空闲时，不会占用任何的线程资源
• 最大线程数非常巨大，意味着可以创建非常多的线程，可能会导致系统线程资源耗尽的问题
• 线程有较短的最大存活时间（如 60s），意味着每个工作线程的存活时间比较短
• 阻塞队列不存储元素，意味着每次有新任务提交时，要么可以立马被一个空闲线程执行，要么可以立马创建一个新线程执行去执行

CachedThreadPool 适用于存在数量多且耗时少的任务场景，由于未限制线程最大数量，在任务的执行速度远小于任务的添加速度时，有可能会导致系统线程资源耗尽或引发 OOM。

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor，即单线程线程池，特点是：

• 核心线程数量 = 最大线程数量 = 1，意味着线程池中最多只会有一个线程，意味着所有提交的任务都会被串行化执行，任意时刻不会有同时两个任务在被同时执行
• 阻塞队列容量非常大甚至无界，代表着任务可以被无条件地，一直不断地添加进来，可能会引发 GC 问题

SingleThreadExecutor 适用于多个任务需要串行化执行的场景，由于阻塞队列无界，还是有可能引发 OOM。
注意，Executors.newSingleThreadExecutor() 并不等价于 Executors.newFixedThreadPool(1)，Executors 中的源码为：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

可以看到，newSingleThreadExecutor() 方法创建出来的 ThreadPoolExecutor 对象被包了一层 FinalizableDelegatedExecutorService，所以这两者不等价

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor，是定时任务线程池，可以使用它来实现定时任务，主要的构造方法为：

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,new DelayedWorkQueue());}

可以看到，ScheduledThreadPoolExecutor 的特点是：

• 最大线程数无界
• 空闲线程的最大存活时间为 0，即在线程池不会存储空闲线程
• 阻塞队列 DelayedWorkQueue 是一个底层数据结构为堆的延迟阻塞队列，无界

SingleThreadScheduledExecutor

SingleThreadScheduledExecutor 即单线程定时任务线程池，可以保证所有定时任务都会由一个线程串行执行

ForkJoinPool

ForkJoinPool，是一个用于管理 ForkJoinWrokerThread 的线程池，ForkJoin 是一种基于分治思想的并发编程框架，通过将任务分解后使用多个线程并行计算，最后合并所有子任务的计算结果得到最终的计算结果。
ForkJoinPool 线程池可以把一个大任务拆分成小任务并行执行，但是任务类必须继承自 RecursiveTask 或者 RecursiveAction

work-stealing

工作窃取算法（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。主要实现的思路有一下几个关键点：

• 每个工作者线程都会对应一个双端任务队列
• 当某个工作者线程自己的任务队列中的任务执行完毕之后，将会从其他工作者线程的任务队列里窃取任务出来执行
• 工作者线程从自己的任务队列的头部来获取任务（removeFirst）
• 工作者线程执行任务窃取时，将从其他工作者线程的任务队列的尾部来获取任务（removeLast）

ForkJoinPool 注意事项

• 任务类必须继承自 RecursiveTask 或者 RecursiveAction
• 子任务间没有相互依赖
• 任务最好不要包含阻塞 IO 操作