Java 线程池的创建过程分析

最近在改进项目的并发功能，但开发起来磕磕碰碰的。看了好多资料，总算加深了认识。于是打算配合查看源代码，总结并发编程的原理。

准备从用得最多的线程池开始，围绕创建、执行、关闭认识线程池整个生命周期的实现原理。后续再研究原子变量、并发容器、阻塞队列、同步工具、锁等等主题。java.util.concurrent里的并发工具用起来不难，但不能仅仅会用，我们要read the fucking source code，哈哈。顺便说声，我用的JDK是1.8。

Executor框架

Executor是一套线程池管理框架，接口里只有一个方法execute，执行Runnable任务。ExecutorService接口扩展了Executor，添加了线程生命周期的管理，提供任务终止、返回任务结果等方法。AbstractExecutorService实现了ExecutorService，提供例如submit方法的默认实现逻辑。

然后到今天的主题ThreadPoolExecutor，继承了AbstractExecutorService，提供线程池的具体实现。

构造方法

下面是ThreadPoolExecutor最普通的构造函数，最多有七个参数。具体代码不贴了，只是一些参数校验和设置的语句。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
    }

corePoolSize是线程池的目标大小，即是线程池刚刚创建起来，还没有任务要执行时的大小。maximumPoolSize是线程池的最大上限。keepAliveTime是线程的存活时间，当线程池内的线程数量大于corePoolSize，超出存活时间的空闲线程就会被回收。unit就不用说了，剩下的三个参数看后文的分析。

预设的定制线程池

ThreadPoolExecutor预设了一些已经定制好的线程池，由Executors里的工厂方法创建。下面分析newSingleThreadExecutor、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool的创建参数。

newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

newFixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都设置为传入的固定数量，keepAliveTim设置为0。线程池创建后，线程数量将会固定不变，适合需要线程很稳定的场合。

newSingleThreadExecutor

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

newSingleThreadExecutor是线程数量固定为1的newFixedThreadPool版本，保证池内的任务串行。注意到返回的是FinalizableDelegatedExecutorService，来看看源码：

static class FinalizableDelegatedExecutorService
        extends DelegatedExecutorService {
        FinalizableDelegatedExecutorService(ExecutorService executor) {
            super(executor);
        }
        protected void finalize() {
            super.shutdown();
        }
    }

FinalizableDelegatedExecutorService继承了DelegatedExecutorService，仅仅在gc时增加关闭线程池的操作，再来看看DelegatedExecutorService的源码：

 static class DelegatedExecutorService extends AbstractExecutorService {
        private final ExecutorService e;
        DelegatedExecutorService(ExecutorService executor) { e = executor; }
        public void execute(Runnable command) { e.execute(command); }
        public void shutdown() { e.shutdown(); }
        public List<Runnable> shutdownNow() { return e.shutdownNow(); }
        public boolean isShutdown() { return e.isShutdown(); }
        public boolean isTerminated() { return e.isTerminated(); }
        //...
    }

代码很简单，DelegatedExecutorService包装了ExecutorService，使其只暴露出ExecutorService的方法，因此不能再配置线程池的参数。本来，线程池创建的参数是可以调整的，ThreadPoolExecutor提供了set方法。使用newSingleThreadExecutor目的是生成单线程串行的线程池，如果还能配置线程池大小，那就没意思了。

Executors还提供了unconfigurableExecutorService方法，将普通线程池包装成不可配置的线程池。如果不想线程池被不明所以的后人修改，可以调用这个方法。

newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

newCachedThreadPool生成一个会缓存的线程池，线程数量可以从0到Integer.MAX_VALUE，超时时间为1分钟。线程池用起来的效果是：如果有空闲线程，会复用线程；如果没有空闲线程，会新建线程；如果线程空闲超过1分钟，将会被回收。

newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool将会创建一个可定时执行任务的线程池。这个不打算在本文展开，后续会另开文章细讲。

等待队列

newCachedThreadPool的线程上限几乎等同于无限，但系统资源是有限的，任务的处理速度总有可能比不上任务的提交速度。因此，可以为ThreadPoolExecutor提供一个阻塞队列来保存因线程不足而等待的Runnable任务，这就是BlockingQueue。

JDK为BlockingQueue提供了几种实现方式，常用的有：

ArrayBlockingQueue：数组结构的阻塞队列

LinkedBlockingQueue：链表结构的阻塞队列

PriorityBlockingQueue：有优先级的阻塞队列

SynchronousQueue：不会存储元素的阻塞队列

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor在默认情况下使用一个无界的LinkedBlockingQueue。要注意的是，如果任务一直提交，但线程池又不能及时处理，等待队列将会无限制地加长，系统资源总会有消耗殆尽的一刻。所以，推荐使用有界的等待队列，避免资源耗尽。但解决一个问题，又会带来新问题：队列填满之后，再来新任务，这个时候怎么办？后文会介绍如何处理队列饱和。

newCachedThreadPool使用的SynchronousQueue十分有趣，看名称是个队列，但它却不能存储元素。要将一个任务放进队列，必须有另一个线程去接收这个任务，一个进就有一个出，队列不会存储任何东西。因此，SynchronousQueue是一种移交机制，不能算是队列。newCachedThreadPool生成的是一个没有上限的线程池，理论上提交多少任务都可以，使用SynchronousQueue作为等待队列正合适。

饱和策略

当有界的等待队列满了之后，就需要用到饱和策略去处理，ThreadPoolExecutor的饱和策略通过传入RejectedExecutionHandler来实现。如果没有为构造函数传入，将会使用默认的defaultHandler。

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
       public AbortPolicy() { }
       public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
           throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
       }
   }

AbortPolicy是默认的实现，直接抛出一个RejectedExecutionException异常，让调用者自己处理。除此之外，还有几种饱和策略，来看一下：

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
       public DiscardPolicy() { }
       public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
       }
   }

DiscardPolicy的rejectedExecution直接是空方法，什么也不干。如果队列满了，后续的任务都抛弃掉。

 public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
       public DiscardOldestPolicy() { }
       public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
           if (!e.isShutdown()) {
               e.getQueue().poll();
               e.execute(r);
           }
       }
   }

DiscardOldestPolicy会将等待队列里最旧的任务踢走，让新任务得以执行。

    public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        public CallerRunsPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
        }
    }

最后一种饱和策略是CallerRunsPolicy，它既不抛弃新任务，也不抛弃旧任务，而是直接在当前线程运行这个任务。当前线程一般就是主线程啊，让主线程运行任务，说不定就阻塞了。如果不是想清楚了整套方案，还是少用这种策略为妙。

ThreadFactory

每当线程池需要创建一个新线程，都是通过线程工厂获取。如果不为ThreadPoolExecutor设定一个线程工厂，就会使用默认的defaultThreadFactory：

public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
    return new DefaultThreadFactory();
}
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
       private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
       private final ThreadGroup group;
       private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
       private final String namePrefix;
       DefaultThreadFactory() {
           SecurityManager s = System.getSecurityManager();
           group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                                 Thread.currentThread().getThreadGroup();
           namePrefix = "pool-" +
                         poolNumber.getAndIncrement() +
                        "-thread-";
       }
       public Thread newThread(Runnable r) {
           Thread t = new Thread(group, r,
                                 namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                                 0);
           if (t.isDaemon())
               t.setDaemon(false);
           if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
               t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
           return t;
       }
   }

平时打印线程池里线程的name时，会输出形如pool-1-thread-1之类的名称，就是在这里设置的。这个默认的线程工厂，创建的线程是普通的非守护线程，如果需要定制，实现ThreadFactory后传给ThreadPoolExecutor即可。

不看代码不总结不会知道，光是线程池的创建就可以引出很多学问。别看平时创建线程池是一句代码的事，其实ThreadPoolExecutor提供了很灵活的定制方法。

欢迎留言和转发，下一篇打算分析线程池如何执行任务。

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