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细说 Java 线程池

article 2025/3/1 7:59:23

一、 Java 线程池使用

1.1、线程池创建

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1.2、线程池执行流程

提交任务到线程池时，调用execute 方法如下图所示：

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1.3、线程池关闭

shutdown()

拒绝新任务，等待已提交任务（包括队列中的任务）执行完毕，不中断正在运行的任务。
shutdownNow()

强制关闭：中断所有线程（包括运行中的任务），返回未执行的任务列表，慎用。

1.3.1、优雅关闭

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);

// 1. 启动关闭流程，拒绝新任务
pool.shutdown(); 

try {
    // 2. 等待现有任务完成（超时时间根据业务设定）
    if (!pool.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
        // 3. 超时后强制终止
        List<Runnable> unfinishedTasks = pool.shutdownNow(); 
        log.warn("强制关闭，未完成任务数: {}", unfinishedTasks.size());
        // 4. 再次等待线程响应中断
        if (!pool.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS)) {
            log.error("线程池未能完全关闭");
        }
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // 5. 处理中断异常，重新尝试强制关闭
    pool.shutdownNow();
    Thread.currentThread().interrupt(); 
}

1.4、线程池状态

线程有状态（详见Java线程状态详解），线程池也有状态。

1.4.1、状态概览

线程池状态如下所示：
状态类型为int，RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED

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RUNNING：线程池创建后的状态，接收新任务，以及对已添加到队列中的任务进行处理。
SHUTDOWN：调用 shutdown 方法，线程池就会转换成 SHUTDOWN 状态，此时线程池不再接收新任务，继续处理任务队列中剩余的任务。
STOP：调用 shutdownNow 方法，线程池就会转换成 STOP 状态，不接收新任务，不处理队列中的剩余任务，尝试中断正在处理的任务的线程。
TIDYING：队列为空，线程已终止；
- SHUTDOWN 状态下，所有任务（包括队列）均已完成，线程线程池会变为 TIDYING 状态；
- STOP 状态下，队列任务均已导出，线程池会变为 TIDYING 状态。
TERMINATED：线程池彻底终止。线程池在 TIDYING 状态执行完 terminated （详见下文）方法就会转变为 TERMINATED 状态。

1.4.2、线程池状态存储

    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 32 - 3 = 29 ,线程数量为2^29, 高3位表示线程池状态，最多可以8种。
    private static final int COUNT_MASK = (1 << COUNT_BITS) - 1;
    
	private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    // Packing and unpacking ctl
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~COUNT_MASK; }
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & COUNT_MASK; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

线程池状态（runStateOf）和线程池中线程数量（workerCountOf）一起存在了 ctl 成员变量中，通过高位掩码提取状态（runStateOf）、低位掩码提取线程数（workerCountOf）的位运算提高效率（相较于传统条件判断或锁操作）。

原子性：通过单个原子变量（AtomicInteger）的 CAS 操作，确保线程池状态（runState）和线程数（workerCount）的修改是原子的，避免状态与数量不一致导致的逻辑错误。

举例：当线程池进入 SHUTDOWN 状态时，若状态和线程数分开维护，可能出现状态已更新但线程数意外增加的情况，导致错误地接受新任务。
内存占用优化： 1个 AtomicInteger（4Byte）替代2个变量，减少内存占用。
竞争条件规避：关闭线程池时，需确保状态变为 TERMINATED 的同时线程数为0，通过 ctl 的原子性操作可避免中间状态的不一致。
减少锁开销：仅通过一次 CAS 操作即可同时修改状态和线程数。

1.4.3、方法`tryTerminate`

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方法tryTerminate主要是做线程池的一些收尾工作，转换线程池状态为TERMINATED，彻底终止线程池。

关闭线程池的方法 shutdown()和 shutdownNow() 在方法结束前均会调用此方法。其它调用此方法的方法如下图所示：

二、 Java 线程池细节

2.1、线程池拒绝任务策略

当线程池中任务队列已满，并且线程数量达到了最大数量后，线程池将采取指定的拒绝策略来处理新提交的任务，具体策略如下。

2.1.1、DiscardPolicy

直接丢弃任务

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2.1.2、AbortPolicy

丢弃任务后，抛出运行时异常；

2.1.3、DiscardOldestPolicy

踢出队列最老的任务；
再次提交当前任务；

2.1.4、CallerRunsPolicy

由提交任务的线程来执行任务；

该策略使用需注意，若 caller 为主线程，且该任务耗时，则会阻塞主线程，后续通过主线程提交到线程池的任务也会相应被阻塞。系统可能直接卡死。

2.2、线程池 Worker

2.2.1、线程池 Worker 继承了 AQS

如下图所示，Worker 通过继承 AQS(更多细节查阅自旋、CLH、AQS浅析)，来实现一个非重入的独占锁，来确保执行任务期间不会被线程池的其它方法中断。

注释中给了我们一个可能会中断线程的方法setCorePoolSize。

Worker 覆写 AQS 的方法如下图所示：

2.2.1.1、方法 `setCorePoolSize`

源码如下，该方法用于设置线程池的核心线程数量，当传入值小于当前线程池的核心线程数时，会通过方法interruptIdleWorkers()销毁空闲线程。

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2.2.1.2、方法 `interruptIdleWorkers()`

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如上图所示，方法 interruptIdleWorkers() 就是负责中断线程的。

中断线程前会尝试加锁，正是Worker对AQS实现的锁。

接下来看下Worker这把锁发挥威力的地方：方法runWorker() 是用来执行任务的。

如下图所示，每次执行任务前加锁，执行完任务后释放锁。

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2.2.2、线程池 Worker 实现了 Runnable

覆写了Runnable中的run()方法如下图示，正是调用了我们前文提到的runWorker方法。

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2.2.2.1 Worker 在哪里被启动的

谁创建Worker ，谁负责启动Worker。
是谁，到底是谁创建的，当然是我们在提交任务（execute）时通过方法addWorker创建的。

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至此，我们的Woker成功创建并启动起来干活了。

2.3、线程池队列

2.3.1、线程池队列获取任务

线程获取任务是通过getTask()方法，如下图所示。

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若队列有任务就获取任务后返回；
若队列为空，就阻塞线程；一直到线程被中断后，继续下次循环；
线程被谁中断呢？
- 前文提到的方法 interruptIdleWorkers()中会设置线程中断。
- 方法interruptWorkers()也会设置线程中断。
线程被中断（比如线程池调用shutdownNow() 或者 shutdown() ）后，进入下一次循环，发现线程池需要关闭，所以就减少线程数量，返回null。
- runWorker方法中while (task != null || (task = getTask()) != null) 获取到的任务为空，结束循环，线程结束。