1、線程池的好處
線程使應(yīng)用能夠更加充分合理地協(xié)調(diào)利用CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、I/O等系統(tǒng)資源。線程的創(chuàng)建需要開辟虛擬機棧、本地方法棧、程序計數(shù)器等線程私有的內(nèi)存空間。在線程銷毀時需要回收這些系統(tǒng)資源。頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程會浪費大量的系統(tǒng)資源，增加并發(fā)編程風險。另外，在服務(wù)器負載過大的時候，如何讓新的線程等待或者友好地拒絕服務(wù)？這些都是線程自身無法解決的。所以需要通過線程池協(xié)調(diào)多個線程，并實現(xiàn)類似主次線程隔離、定時執(zhí)行、周期執(zhí)行等任務(wù)。線程池的作用包括：
（1）利用線程池管理并復(fù)用線程、控制最大并發(fā)數(shù)等。
（2）實現(xiàn)任務(wù)線程隊列緩存策略和拒絕機制。
（3）實現(xiàn)某些與時間相關(guān)的功能，如定時執(zhí)行、周期執(zhí)行等。
（4）隔離線程環(huán)境。比如，交易服務(wù)和搜索服務(wù)在同一臺服務(wù)器上，分別開啟兩個線程池，交易線程的資源消耗明顯要大；因此，通過配置獨立的線程池，將較慢的交易服務(wù)與搜 索服務(wù) 隔離開，避免各服務(wù)線程消耗影響。
在連接線程池的基本作用后，我們學習一下線程池是如何創(chuàng)建線程的。首先從ThreadPoolExecutor構(gòu)造方法講起，學習如何自定義ThreadFactory和RejectedExecutionHandler，并編寫一個最簡單的線程池示例。然后，通過分析ThreadPoolExecutor的execute和addWorker兩個核心方法，學習如何把任務(wù)線程加入到線程池中運行。ThreadPoolExecutor的構(gòu)造方法如下：
第1個參數(shù)：corePoolSize表示常駐核心線程數(shù)。如果等于0，則任務(wù)執(zhí)行完之后，沒有任何請求進入時銷毀線程池的線程；如果大于0，即使本地任務(wù)執(zhí)行完畢，核心線程也不會被銷毀。這個值的設(shè)置非常關(guān)鍵，設(shè)置過大會浪費資源，設(shè)置過小會導(dǎo)致線程頻繁地創(chuàng)建或銷毀。
第2個參數(shù)：maximumPoolSize表示線程池能夠容納同時執(zhí)行的最大線程數(shù)。從上方實例代碼中的第1處來看，必須大于或等于1。如果待執(zhí)行的線程數(shù)大于此值，需要借助第5個參數(shù)的幫助，緩存在隊列中。如果maximumPoolSize與corePoolSize相等，即是固定大小線程池。
第3個參數(shù)：keepAliveTime表示線程池中的線程空間時間，當空閑時間達到keepAliveTime值時，線程就會被銷毀，直到只剩下corePoolSize個線程為止，避免浪費內(nèi)存和句柄資源。在默認情況下，當線程池的線程數(shù)大于corePoolSize時，keepAliveTime才會起作用。但是當ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut變量設(shè)置為true時，核心線程超時后也會被收回。
第4個參數(shù)：TimeUnit表示時間單位。keepAliveTime的時間單位通常是TimeUnit.SECONDS。
第5個參數(shù)：workQueue表示緩存隊列。當請求的線程數(shù)大于maximumPoolSize時，線程機內(nèi)BlockingQueue的阻塞隊列。后續(xù)示例代碼中使用的LinkedBlockingQueue是單向鏈表，使用鎖來控制入隊和出隊的原子性，兩個鎖分別控制元素的添加和獲取，是一個生產(chǎn)消費模型隊列。
第6個參數(shù)：threadFactory表示線程工廠。它用來生產(chǎn)一組相同任務(wù)的線程。線程池的命名是通過給這個factory增加組名前綴來實現(xiàn)的。在虛擬機棧分析時，就可以知道線程任務(wù)是由哪個線程工廠產(chǎn)生的。
第7個參數(shù)：handler表示執(zhí)行拒絕策略的對象。當超過第5個參數(shù)workQueue的任務(wù)緩存區(qū)上限的時候，就可以通過該策略處理請求，這是一種簡單的限流保護。像某年雙十一沒有處理好訪問流量過載時的拒絕策略，導(dǎo)致內(nèi)部測試頁面被展示出來，使用戶手足無措。友好的拒絕策略可以是如下三種：
（1）保存到數(shù)據(jù)庫進行削峰填谷。在空閑時再提取出來執(zhí)行。
（2）轉(zhuǎn)向某個提示頁面。
（3）打印日志。
從代碼第2處來看，隊列、線程工廠、拒絕處理服務(wù)都必須有實例對象，但在實際編程中，很少有程序員對這三者進行實例化，而通過Executors這個線程池靜態(tài)工廠提供默認實現(xiàn)，那么Executors與ThreadPoolExecutor是什么關(guān)系呢？線程池相關(guān)類圖如圖所示：
ExecutorService接口繼承了Executor接口，定義了管理線程任務(wù)的方法。ExecutorService的抽象類AbstractExecutorService提供了submi()、invokeAll()等部分方法的實現(xiàn)，但是核心方法Executor.executor()并沒有在這里實現(xiàn)。因為所有的任務(wù)都在這個方法里執(zhí)行，不同實現(xiàn)會帶來不同的執(zhí)行策略，這一點在后續(xù)的ThreadPoolExecutor解析時，會一步步地分析。通過Executors的靜態(tài)工廠方法可以創(chuàng)建三個線程池的包裝對象：ForkJoinPool、ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor。Executors核心的方法有五個：
（1）Executors.new.WorkStealingPool: JDK8引入，創(chuàng)建持有足夠線程的線程池 支持給定的并行度，并通過使用多個隊列減少競爭，此構(gòu)造方法中把CPU數(shù) 量設(shè)置為默認的并行度：
（2）Executors.newCachedThreadPool: maximumPoolSize最大可以至 Integer.MAX_VALUE，是高度可伸縮的線程池，如果達到這個上限，相信沒有 任何服務(wù)器能夠繼續(xù)工作，肯定會拋出OOM異常。keepAliveTime默認為60 秒，工作線程處于空閑狀態(tài)，則收回工作線程。如果任務(wù)數(shù)增加，再次創(chuàng)建出 新線程處理任務(wù)。
（3）Executors.newScheduledThreadPool: 線程數(shù)最大至Integer.MAX_VALUE， 與上述相同，存在OOM風險。它是ScheduledExecutorService接口家族的實現(xiàn) 類，支持定時及周期性任務(wù)執(zhí)行。相比Timer， ScheduledExecutorService更安 全。功能更強大，與newCacheThreadPool的區(qū)別是不回收工作線程。
（4）Executors.newSingleThreadExecutor： 創(chuàng)建一個單線程的線程池，相當于 線程串行執(zhí)行所有任務(wù)，保證按任務(wù)的提交順序依次執(zhí)行。
（5）Executors.newFixedThreadPool: 輸入的參數(shù)即是固定線程數(shù)，既是核心線 程數(shù)也是最大線程數(shù)，不存在空閑線程，所以keepAliveTime等于0：
這里，輸入的隊列沒有指明長度，下面介紹LinkedBlockingQueue的構(gòu)造方法：
使用這樣的無界隊列，如果瞬間請求非常大，會有OOM的風險。除newWorkStealingPool外，其他四個創(chuàng)建方式都存在資源耗盡的風險。
Executors中默認的線程工廠和拒絕策略過于簡單，通常對用戶不夠友好。線程工廠需要做創(chuàng)建前的準備工作，對線程池創(chuàng)建的線程必須明確標識，就像藥品的生產(chǎn)批號一樣，為線程本身指定有意義的名稱和相應(yīng)的序列號。拒絕策略應(yīng)該考慮到業(yè)務(wù)場景，返回相應(yīng)的提示或者友好地跳轉(zhuǎn)。以下為簡單的ThreadFactory示例：
上述示例包括線程工廠和任務(wù)執(zhí)行體的定義，通過newThread方法快速、統(tǒng)一地創(chuàng)建線程任務(wù)，強調(diào)線程一定要有特定意義的名稱，方便出錯時回溯。
如圖所示為排查底層公共緩存調(diào)用出錯時的截圖，綠色框采用自定義的線程工廠，明顯比藍色框默認的線程名稱擁有更多的額外信息：如調(diào)用來源、線程的業(yè)務(wù)含義，有助于快速定位到死鎖、StackOverflowError等問題。
下面再簡單地實現(xiàn)一下RejectdExecutionHandler，實現(xiàn)了接口的rejectedExecution方法，打印出當前線程池狀態(tài)，源碼如下：
在ThreadPoolExecutor中提供了四個公開的內(nèi)部靜態(tài)類：
（1）AbortPolicy（默認）：丟棄任務(wù)拋出RejectedExecutionException異常。
（2）DiscardPolicy：丟棄任務(wù)但是不拋出異常，這是不推薦的做法。
（3）DiscardOldestPolicy：拋棄隊列中等待最久的任務(wù)，然后把當前任務(wù)加入隊列中。
（4）CallerRunsPolicy：調(diào)用任務(wù)的run()方法繞過其線程池直接執(zhí)行。
根據(jù)之前實現(xiàn)的線程工廠和拒絕策略，線程池的相關(guān)代碼實現(xiàn)如下：
當任務(wù)被拒絕的時候，拒絕策略會打印出當前線程池的大小已經(jīng)達到了maximumPoolSize=2，且隊列已滿，完成的任務(wù)提示已經(jīng)有1個（最后一行）。
2、線程池源碼詳解
在ThreadPoolExecutor的屬性定義中頻繁地用位移運算來表示線程池狀態(tài)，位移運算是改變當前值的一種高效手段，包括左移與右移，下面從屬性定義開始閱讀ThreadPoolExecutor的源碼：
第1處說明，線程池的狀態(tài)用高3位表示，其中包括了符號位。五中狀態(tài)的十進制值按從小到大依次排序為：RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED，這樣設(shè)計的好吃是可以通過比較值的大小來確定線程池的狀態(tài)。例如程序中經(jīng)常會出現(xiàn)isRunning的判斷：
我們都知道Executor接口有且只有一個方法execute，通過參數(shù)傳入待執(zhí)行線程的對象。下面分析ThreadPoolExecutor關(guān)于execute方法的實現(xiàn)：
第1處：execute方法在不同的階段有三次addWorker的嘗試動作。
第2處：發(fā)生拒絕的理由有兩個：（1）線程池為非RUNNING狀態(tài)（2）等待隊列已滿。
下面繼續(xù)分析addWorker方法的源碼：
這段代碼晦澀難懂，部分地方甚至違反了代碼規(guī)約，但其中蘊含的豐富的編碼知識點值得我們?nèi)W習，下面按序號來依次講解。
第1處，配合循環(huán)語句出現(xiàn)的label，類似于goto作用。Label定義時，表虛把標簽和冒號的組合語句緊緊相鄰定義在循環(huán)體之前，否則會編譯出錯。目的是在實現(xiàn)多重循環(huán)時能夠快速退出到任何一層。這種做法的出發(fā)點似乎非常貼心，但是在大型軟件項目中，濫用標簽跳轉(zhuǎn)的后果將是災(zāi)難性的。示例代碼中，在retry下方有兩個無線循環(huán)，在workerCount加1成功后，直接退出兩層循環(huán)。
第2處，這樣的表達式不利于代碼閱讀，應(yīng)該改成：
第3處，與第1處的標簽呼應(yīng)，AtomicInteger對象的加1操作時原子性的。Break retry表示直接跳出與retry相鄰的這個循環(huán)體。
第4處，此continue跳轉(zhuǎn)至標簽處，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。如果條件為假，則說明線程池還處于運行狀態(tài)，即繼續(xù)在for(;;)循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。
第5處，compareAndIncrementWorkerCount方法執(zhí)行失敗的概率非常低。即使失敗，再次執(zhí)行時成功的概率也是極高的，類似于自旋鎖原理。這里的處理邏輯是先加1，創(chuàng)建失敗在減1，這是輕量處理并發(fā)線程的方式。如果先創(chuàng)建線程，成功再加1，當發(fā)現(xiàn)超出限制后再銷毀線程，那么這樣的處理方式明顯比前者代價要大。
第6處，Worker對象是工作線程的核心類實現(xiàn)，部分源碼如下：
線程池的相關(guān)源碼比較精煉，還包括線程池的銷毀、任務(wù)提取和消費等，與線程狀態(tài)圖一樣，線程池也有自己獨立的狀態(tài)轉(zhuǎn)化流程，本節(jié)不再展開。總結(jié)一下，使用線程池要注意如下幾點：
（1）合理設(shè)置各類參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際業(yè)務(wù)場景來設(shè)置合理的工作線程數(shù)。
（2）線程資源必須通過線程池提供，不允許在應(yīng)用中自行顯式創(chuàng)建線程。
（3）創(chuàng)建線程或線程池時請指定有意義的線程名稱，方便出錯時回溯。
線程池不允許使用Executors，而是通過ThreadPoolExecutor的方式創(chuàng)建，這樣的處理方式能更加明確線程池的運行規(guī)則，規(guī)避資源耗盡的風險。
