Java线程池核心原理

本文的整体结构如下所示。

Java线程池核心原理

看过Java线程池源码的小伙伴都知道，在Java线程池中最核心的类就是ThreadPoolExecutor，而在ThreadPoolExecutor类中最核心的构造方法就是带有7个参数的构造方法，如下所示。

 

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

 

各参数的含义如下所示。

corePoolSize：线程池中的常驻核心线程数。

maximumPoolSize：线程池能够容纳同时执行的最大线程数，此值大于等于1。

keepAliveTime：多余的空闲线程存活时间，当空间时间达到keepAliveTime值时，多余的线程会被销毁直到只剩下corePoolSize个线程为止。

unit：keepAliveTime的单位。

workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。

threadFactory：表示生成线程池中工作线程的线程工厂，用户创建新线程，一般用默认即可。

handler：拒绝策略，表示当线程队列满了并且工作线程大于等于线程池的最大显示数(maxnumPoolSize)时，如何来拒绝请求执行的runnable的策略。

并且Java的线程池是通过 生产者-消费者模式 实现的，线程池的使用方是生产者，而线程池本身就是消费者。

Java线程池的核心工作流程如下图所示。

手撸Java线程池

我们自己手动实现的线程池要比Java自身的线程池简单的多，我们去掉了各种复杂的处理方式，只保留了最核心的原理：线程池的使用者向任务队列中添加任务，而线程池本身从任务队列中消费任务并执行任务。

只要理解了这个核心原理，接下来的代码就简单多了。在实现这个简单的线程池时，我们可以将整个实现过程进行拆解。拆解后的实现流程为：定义核心字段、创建内部类WorkThread、创建ThreadPool类的构造方法和创建执行任务的方法。

定义核心字段

首先，我们创建一个名称为ThreadPool的Java类，并在这个类中定义如下核心字段。

DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE：静态常量，表示默认的阻塞队列大小。

workQueue：模拟实际的线程池使用阻塞队列来实现生产者-消费者模式。

workThreads：模拟实际的线程池使用List集合保存线程池内部的工作线程。

核心代码如下所示。

 

//默认阻塞队列大小
private static final int DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;

//模拟实际的线程池使用阻塞队列来实现生产者-消费者模式
private BlockingQueue workQueue;

//模拟实际的线程池使用List集合保存线程池内部的工作线程
private List workThreads = new ArrayList();

 

创建内部类WordThread

在ThreadPool类中创建一个内部类WorkThread，模拟线程池中的工作线程。主要的作用就是消费workQueue中的任务，并执行任务。由于工作线程需要不断从workQueue中获取任务，所以，这里使用了while(true)循环不断尝试消费队列中的任务。

核心代码如下所示。

 

//内部类WorkThread，模拟线程池中的工作线程
//主要的作用就是消费workQueue中的任务，并执行
//由于工作线程需要不断从workQueue中获取任务，使用了while(true)循环不断尝试消费队列中的任务
class WorkThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        //不断循环获取队列中的任务
        while (true){
            //当没有任务时，会阻塞
            try {
                Runnable workTask = workQueue.take();
                workTask.run();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

 

创建ThreadPool类的构造方法

这里，我们为ThreadPool类创建两个构造方法，一个构造方法中传入线程池的容量大小和阻塞队列，另一个构造方法中只传入线程池的容量大小。

核心代码如下所示。

 

//在ThreadPool的构造方法中传入线程池的大小和阻塞队列
public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue workQueue){
    this.workQueue = workQueue;
    //创建poolSize个工作线程并将其加入到workThreads集合中
    IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
        WorkThread workThread = new WorkThread();
        workThread.start();
        workThreads.add(workThread);
    });
}

//在ThreadPool的构造方法中传入线程池的大小
public ThreadPool(int poolSize){
    this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
}

 

创建执行任务的方法

在ThreadPool类中创建执行任务的方法execute()，execute()方法的实现比较简单，就是将方法接收到的Runnable任务加入到workQueue队列中。

核心代码如下所示。

 

//通过线程池执行任务
public void execute(Runnable task){
    try {
        workQueue.put(task);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

 

完整源码

这里，我们给出手动实现的ThreadPool线程池的完整源代码，如下所示。

 

package io.binghe.thread.pool;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 自定义线程池
 */
public class ThreadPool {

    //默认阻塞队列大小
    private static final int DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;

    //模拟实际的线程池使用阻塞队列来实现生产者-消费者模式
    private BlockingQueue workQueue;

    //模拟实际的线程池使用List集合保存线程池内部的工作线程
    private List workThreads = new ArrayList();

    //在ThreadPool的构造方法中传入线程池的大小和阻塞队列
    public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue workQueue){
        this.workQueue = workQueue;
        //创建poolSize个工作线程并将其加入到workThreads集合中
        IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
            WorkThread workThread = new WorkThread();
            workThread.start();
            workThreads.add(workThread);
        });
    }

    //在ThreadPool的构造方法中传入线程池的大小
    public ThreadPool(int poolSize){
        this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
    }

 //通过线程池执行任务
    public void execute(Runnable task){
        try {
            workQueue.put(task);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //内部类WorkThread，模拟线程池中的工作线程
    //主要的作用就是消费workQueue中的任务，并执行
    //由于工作线程需要不断从workQueue中获取任务，使用了while(true)循环不断尝试消费队列中的任务
    class WorkThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            //不断循环获取队列中的任务
            while (true){
                //当没有任务时，会阻塞
                try {
                    Runnable workTask = workQueue.take();
                    workTask.run();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

 

没错，我们仅仅用了几十行Java代码就实现了一个极简版的Java线程池，没错，这个极简版的Java线程池的代码却体现了Java线程池的核心原理。

接下来，我们测试下这个极简版的Java线程池。

编写测试程序

测试程序也比较简单，就是通过在main()方法中调用ThreadPool类的构造方法，传入线程池的大小，创建一个ThreadPool类的实例，然后循环10次调用ThreadPool类的execute()方法，向线程池中提交的任务为：打印当前线程的名称--->> Hello ThreadPool。

整体测试代码如下所示。

 

package io.binghe.thread.pool.test;

import io.binghe.thread.pool.ThreadPool;

import java.util.stream.IntStream;

/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 测试自定义线程池
 */
public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args){
        ThreadPool threadPool = new ThreadPool(10);
        IntStream.range(0, 10).forEach((i) -> {
            threadPool.execute(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->> Hello ThreadPool");
            });
        });
    }
}

 

接下来，运行ThreadPoolTest类的main()方法，会输出如下信息。

 

Thread-0--->> Hello ThreadPool
Thread-9--->> Hello ThreadPool
Thread-5--->> Hello ThreadPool
Thread-8--->> Hello ThreadPool
Thread-4--->> Hello ThreadPool
Thread-1--->> Hello ThreadPool
Thread-2--->> Hello ThreadPool
Thread-5--->> Hello ThreadPool
Thread-9--->> Hello ThreadPool
Thread-0--->> Hello ThreadPool

 

至此，我们自定义的Java线程池就开发完成了。

总结

线程池的核心原理其实并不复杂，只要我们耐心的分析，深入其源码理解线程池的核心本质，你就会发现线程池的设计原来是如此的优雅。希望通过这个手写线程池的小例子，能够让你更好的理解线程池的核心原理。

审核编辑：刘清