Java线程池工作原理

Java线程池主要用于管理线程组及其运行状态，以便Java虚拟机更好地利用CPU资源。Java线程池的工作原理为：JVM先根据用户的参数创建一定数量的可运行的线程任务，并将其放入队列中，在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大线程数量（用户设置的线程池大小），则超出数量的线程排队等候，在有任务执行完毕后，线程池调度器会发现有可用的线程，进而再次从队列中取出任务并执行。
线程池的主要作用是线程复用、线程资源管理、控制操作系统的最大并发数，以保证系统高效（通过线程资源复用实现）且安全（通过控制最大线程并发数实现）地运行。

线程复用

在Java中，每个Thread类都有一个start方法。在程序调用start方法启动线程时，Java虚拟机会调用该类的run方法。前面说过，在Thread类的run方法中其实调用了Runnable对象的run方法，因此可以继承Thread类，在start方法中不断循环调用传递进来的Runnable对象，程序就会不断执行run方法中的代码。可以将在循环方法中不断获取的Runnable对象存放在Queue中，当前线程在获取下一个Runnable对象之前可以是阻塞的，这样既能有效控制正在执行的线程个数，也能保证系统中正在等待执行的其他线程有序执行。这样就简单实现了一个线程池，达到了线程复用的效果。

线程池的核心组件和核心类

Java线程池主要由以下4个核心组件组成。

• 线程池管理器：用于创建并管理线程池。
• 工作线程：线程池中执行具体任务的线程。
• 任务接口：用于定义工作线程的调度和执行策略，只有线程实现了该接口，线程中的任务才能够被线程池调度。
• 任务队列：存放待处理的任务，新的任务将会不断被加入队列中，执行完成的任务将被从队列中移除。

Java中的线程池是通过Executor框架实现的，在该框架中用到了Executor、Executors、ExecutorService、ThreadPoolExecutor、Callable、Future、FutureTask这几个核心类，具体的继承关系如图所示:

其中，ThreadPoolExecutor是构建线程的核心方法，该方法的定义如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

ThreadPoolExecutor构造函数的具体参数如表所示:

Java线程池的工作流程

Java线程池的工作流程为：线程池刚被创建时，只是向系统申请一个用于执行线程队列和管理线程池的线程资源。在调用execute()添加一个任务时，线程池会按照以下流程执行任务。

• 如果正在运行的线程数量少于corePoolSize（用户定义的核心线程数），线程池就会立刻创建线程并执行该线程任务。
• 如果正在运行的线程数量大于等于corePoolSize，该任务就将被放入阻塞队列中。
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量少于maximumPoolSize时，线程池会创建非核心线程立刻执行该线程任务。
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量大于等于maximumPoolSize时，线程池将拒绝执行该线程任务并抛出RejectExecutionException异常。
• 在线程任务执行完毕后，该任务将被从线程池队列中移除，线程池将从队列中取下一个线程任务继续执行。
• 在线程处于空闲状态的时间超过keepAliveTime时间时，正在运行的线程数量超过corePoolSize，该线程将会被认定为空闲线程并停止。因此在线程池中所有线程任务都执行完毕后，线程池会收缩到corePoolSize大小。

具体的流程如图所示:

线程池的拒绝策略

若线程池中的核心线程数被用完且阻塞队列已排满，则此时线程池的线程资源已耗尽，线程池将没有足够的线程资源执行新的任务。为了保证操作系统的安全，线程池将通过拒绝策略处理新添加的线程任务。JDK内置的拒绝策略有AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardOldestPolicy、DiscardPolicy这4种，默认的拒绝策略在ThreadPoolExecutor中作为内部类提供。在默认的拒绝策略不能满足应用的需求时，可以自定义拒绝策略。
1．AbortPolicy
AbortPolicy直接抛出异常，阻止线程正常运行，具体的JDK源码如下：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    public AbortPolicy() {
    }
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        //直接抛出异常信息，不做任何处理
        throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " +e.toString());
    } 
}

2．CallerRunsPolicy
CallerRunsPolicy的拒绝策略为：如果被丢弃的线程任务未关闭，则执行该线程任务。注意，CallerRunsPolicy拒绝策略不会真的丢弃任务。具体的JDK实现源码如下：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    if (! e.isShutdown()) {
        r.run();//执行被丢弃的任务r 
    } 
}

3．DiscardOldestPolicy
DiscardOldestPolicy的拒绝策略为：移除线程队列中最早的一个线程任务，并尝试提交当前任务。具体的JDK实现源码如下：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    if(! e.isShutdown()){
        e.getQueue().poll(); //丢弃（移除）线程队列中最老（最后）的一个线程任务
        e.execute(r); //尝试提交当前任务
    }
}

4．DiscardPolicy
DiscardPolicy的拒绝策略为：丢弃当前的线程任务而不做任何处理。如果系统允许在资源不足的情况下丢弃部分任务，则这将是保障系统安全、稳定的一种很好的方案。具体的JDK实现源码如下：

//直接丢弃线程，不做任何处理
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e){
}

5．自定义拒绝策略
以上4种拒绝策略均实现了RejectedExecutionHandler接口，若无法满足实际需要，则用户可以自己扩展RejectedExecutionHandler接口来实现拒绝策略，并捕获异常来实现自定义拒绝策略。下面实现一个自定义拒绝策略DiscardOldestNPolicy，该策略根据传入的参数丢弃最老的N个线程，以便在出现异常时释放更多的资源，保障后续线程任务整体、稳定地运行。具体的JDK实现源码如下：

public class DiscardOldestNPolicy implements RejectedExecutionHandler{
    private int discardNumber = 5; 
    private List<Runnable> discardList =new ArrayList<Runnable>(); 
    public DiscardOldestNPolicy (int discardNumber) { 
        this.discardNumber = discardNumber; 
    } 
    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { 
        if(e.getQueue().size() > discardNumber){  
            // 批量移除线程队列中的discardNumber个线程任务  
            e.getQueue().drainTo(discardList, discardNumber);  
            discardList.clear(); // 清空discardList列表  
            if (! e.isShutdown()) {   
            e.execute(r); // 尝试提交当前任务  
            } 
        } 
    }
}