Java线程池底层源码与源码解析

2024好事发生

文章名《「最佳实践」通过IPsec VPN+CCN多路由+私网NAT解决IDC与云上资源网段冲突》 作者：RokasYang

评价：该文深入浅出地解析了使用IPsec VPN配合CCN及私网NAT的技术细节，对于遇到IDC与云端资源网络互通问题的工程师来说极具参考价值。从理论到实战，每一步骤都讲解得非常清晰，适合不同层次的技术人员学习和借鉴。推荐给各位需要同学们。

文章链接：https://cloud.tencent.com/developer/article/2472358

前言

嘿，各位技术爱好者们，今天咱们来聊聊Java线程池提交任务的底层源码与源码解析。作为一个资深的Java开发者，我相信你一定对线程池并不陌生。线程池作为并发编程中的一大利器，其重要性不言而喻。今天，我将以对话的方式，带你一步步深入线程池的奥秘，从概述到功能点，再到背景和业务点，最后到底层原理和示例，让你对线程池有一个全新的认识。

一、概述

我：你好，今天咱们来聊聊Java线程池吧。

你：好呀，线程池确实是个好东西，能显著提高系统的性能和资源利用率。

我：没错，线程池通过预先创建一定数量的线程，并将这些线程放入一个容器中，来管理和复用线程。当任务提交时，线程池会从容器中选择一个空闲的线程来执行任务，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

你：那线程池主要用在哪些场景呢？

我：线程池的应用场景非常广泛，比如Web服务器处理客户端请求、并发编程管理并发任务、异步任务处理、定时任务调度以及后台线程处理等。

二、功能点

我：线程池的功能点有哪些呢？

你：线程池的功能点主要包括以下几个方面：

1. 降低资源消耗：通过复用线程，避免频繁创建和销毁线程的开销。
2. 提高响应速度：当任务到达时，可以立即从线程池中获取线程执行任务，无需等待线程创建。
3. 提高线程的可管理性：线程池可以统一管理线程的生命周期，方便进行调优和监控。
4. 控制并发度：通过限制线程池中的线程数量，避免过多的线程竞争资源导致性能下降。

我：这些功能点确实非常实用，那线程池是如何实现这些功能的呢？

你：这就涉及到线程池的底层原理了，我们接下来详细聊聊。

三、背景

我：在深入底层原理之前，我们先来聊聊线程池的背景吧。

你：好的，在传统的多线程编程中，每次需要执行任务时都会创建一个新的线程，任务执行完毕后再销毁该线程。这种方式存在一些问题，比如频繁创建和销毁线程会带来较大的开销，线程数量的不可控会导致系统资源的浪费和性能下降。

我：确实，这些问题在多线程编程中非常常见。那线程池是如何解决这些问题的呢？

你：线程池通过预先创建一定数量的线程，并将这些线程放入一个容器中，来管理和复用线程。当任务提交时，线程池会从容器中选择一个空闲的线程来执行任务，避免了频繁创建和销毁线程的开销。同时，线程池还可以根据系统的负载情况动态调整线程的数量，以适应不同的负载需求。

四、业务点

我：在实际业务开发中，我们如何使用线程池呢？

你：在实际业务开发中，我们通常会根据任务的特性和线程池的负载情况选择适当的线程池类型。Java提供了多种线程池类型，比如FixedThreadPool、CachedThreadPool、SingleThreadPool、ScheduledThreadPool等。每种线程池类型都有其适用的场景和优缺点。

我：能详细介绍一下这些线程池类型吗？

你：当然可以。

• FixedThreadPool：固定大小线程池，包含固定数量的线程。适用于需要限制并发线程数量的场景。
• CachedThreadPool：缓存线程池，不固定线程数量，可以根据需要自动创建新线程。适用于短期异步任务。
• SingleThreadPool：单线程池，只包含一个工作线程。适用于需要保持任务顺序执行的场景。
• ScheduledThreadPool：定时线程池，可以执行定时任务和周期性任务。

我：了解了这些线程池类型后，我们就可以根据实际需求选择合适的线程池了。

五、底层原理

我：接下来我们来聊聊线程池的底层原理吧。

你：好的，线程池的底层原理主要涉及到线程池的状态管理、工作线程的创建与销毁、任务队列的管理以及拒绝策略的处理等方面。

我：那我们先从线程池的状态管理开始吧。

你：线程池的状态管理是通过一个整数变量ctl来实现的。ctl变量使用了位分割技术，其中一部分位用于表示线程池的状态，另一部分位用于表示线程的数量。线程池的状态主要有以下几种：

• RUNNING：线程池接受新任务，并处理阻塞队列中的任务。
• SHUTDOWN：不再接受新任务，但是会继续处理阻塞队列中的任务直到完成。
• STOP：不再接受新任务，并取消正在执行的任务，同时清空阻塞队列。
• TIDYING：所有任务完成后，线程池进入这个状态。
• TERMINATED：线程池完成所有任务，并且所有工作线程都已经终止。

我：了解了线程池的状态后，我们再来看看工作线程的创建与销毁吧。

你：工作线程的创建与销毁主要是通过addWorker方法和tryTerminate方法来实现的。当有新任务提交时，线程池会判断是否需要创建新的工作线程。如果需要，就调用addWorker方法来创建一个新的工作线程。当工作线程空闲时间超过设定的存活时间时，线程池会调用tryTerminate方法来销毁该工作线程。

我：那任务队列的管理呢？

你：任务队列的管理主要是通过workQueue来实现的。workQueue是一个阻塞队列，用于存放待执行的任务。当线程池中的工作线程执行完任务后，会从任务队列中获取下一个任务执行。如果任务队列为空，工作线程会进入等待状态，直到有新的任务提交到任务队列中。

我：最后我们来看看拒绝策略的处理吧。

你：拒绝策略的处理主要是通过RejectedExecutionHandler接口来实现的。当任务队列已满且无法继续添加任务时，线程池会根据拒绝策略来处理新提交的任务。Java提供了几种内置的拒绝策略，比如AbortPolicy（抛出异常）、CallerRunsPolicy（在调用者线程中执行任务）、DiscardPolicy（丢弃任务）和DiscardOldestPolicy（丢弃队列中最旧的任务）等。当然，我们也可以根据实际需求来实现自定义的拒绝策略。

六、示例

我：了解了线程池的底层原理后，我们来看看具体的示例吧。

你：好的，我们先来看一个简单的示例，演示如何使用线程池来执行任务。

示例一：使用线程池执行任务

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个固定大小的线程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 提交任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int index = i;
            executorService.execute(() -> {
                System.out.println("Task " + index + " is running by " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
// 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

我：这个示例很简单，创建了一个固定大小的线程池，并提交了10个任务。每个任务都会打印出执行该任务的线程名称。

你：没错，这个示例展示了如何使用线程池来执行任务。接下来我们来看一个稍微复杂一点的示例，演示如何使用线程池来提交带返回值的任务，并获取任务的执行结果。

示例二：提交带返回值的任务并获取执行结果

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
public class CallableThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个固定大小的线程池
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 提交带返回值的任务
        Future<Integer> future1 = executorService.submit(new Callable<Integer>() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
                Thread.sleep(1000); // 模拟耗时任务
return 1 + 1;
            }
        });
        Future<String> future2 = executorService.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
                Thread.sleep(2000); // 模拟耗时任务
return "Hello, World!";
            }
        });
try {
// 获取任务的执行结果
Integer result1 = future1.get();
String result2 = future2.get();
            System.out.println("Task 1 result: " + result1);
            System.out.println("Task 2 result: " + result2);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
// 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

我：这个示例展示了如何使用线程池来提交带返回值的任务，并通过Future对象来获取任务的执行结果。

你：没错，这个示例更加实用。在实际开发中，我们经常会需要提交带返回值的任务，并获取任务的执行结果。线程池提供了很好的支持。

我：那接下来我们再看一个示例，演示如何使用自定义的线程工厂和拒绝策略。

示例三：使用自定义线程工厂和拒绝策略

import java.util.concurrent.*;
public class CustomThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建自定义的线程工厂
ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactory() {
private int count = 1;
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread thread = new Thread(r, "my-thread-" + count);
                count++;
return thread;
            }
        };
// 创建自定义的拒绝策略
RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler = new RejectedExecutionHandler() {
@Override
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.out.println("Task " + r.toString() + " rejected from " + executor.toString());
            }
        };
// 创建线程池，并传入自定义的线程工厂和拒绝策略
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
2, // 核心线程数
5, // 最大线程数
60, // 空闲线程存活时间
                TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
new LinkedBlockingQueue<>(10), // 任务队列
                threadFactory, // 线程工厂
                rejectedExecutionHandler // 拒绝策略
        );
// 提交任务
for (int i = 0; i < 20; i++) {
final int index = i;
            threadPoolExecutor.execute(() -> {
                System.out.println("Task " + index + " is running by " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
// 关闭线程池
        threadPoolExecutor.shutdown();
    }
}

我：这个示例展示了如何使用自定义的线程工厂和拒绝策略来创建线程池。通过自定义线程工厂，我们可以给每个线程设置更有意义的名字；通过自定义拒绝策略，我们可以定义当任务无法被线程池执行时的处理方式。

你：没错，这个示例非常实用。在实际开发中，我们经常会需要根据业务需求来自定义线程工厂和拒绝策略。

七、优缺点

我：那使用线程池有哪些优缺点呢？

你：使用线程池的优缺点主要有以下几个方面：

优点：

1. 降低资源消耗：通过复用线程，避免频繁创建和销毁线程的开销。
2. 提高响应速度：当任务到达时，可以立即从线程池中获取线程执行任务，无需等待线程创建。
3. 提高线程的可管理性：线程池可以统一管理线程的生命周期，方便进行调优和监控。
4. 控制并发度：通过限制线程池中的线程数量，避免过多的线程竞争资源导致性能下降。

缺点：

1. 增加系统复杂性：使用线程池会增加系统的复杂性，需要合理配置线程池的参数，并进行调优和监控。
2. 可能引发死锁：如果任务之间存在依赖关系，并且没有正确处理，可能会引发死锁问题。
3. 资源限制：线程池中的线程数量是有限的，如果任务数量过多，可能会导致任务堆积，影响系统的响应速度。

我：了解了这些优缺点后，我们就可以更加合理地使用线程池了。

八、总结

我：今天咱们聊了这么多关于线程池的内容，你有什么感想吗？

你：我觉得线程池确实是一个非常强大的工具，能够显著提高系统的性能和资源利用率。但是，在使用线程池时也需要注意合理配置参数，并进行调优和监控，以避免潜在的问题。

我：没错，线程池虽然强大，但也需要我们谨慎使用。好了，今天的聊天就到这里吧。如果你对线程池还有其他问题或者想深入了解某个方面，随时都可以来找我哦。

你：好的，谢谢你今天的分享！

后记

希望通过今天的对话，你对Java线程池提交任务的底层源码与源码解析有了更深入的了解。线程池作为并发编程中的一大利器，其重要性不言而喻。在实际开发中，我们需要根据业务需求合理选择线程池类型，并合理配置参数，以充分发挥线程池的优势。同时，我们也需要关注线程池的调优和监控，以确保系统的稳定性和性能。