前言

为什么要用线程池

在 HotSpot VM 的线程模型中，Java 线程被一对一映射为内核线程。

Java 在使用线程执行程序时，需要调用操作系统内核的 API，创建一个内核线程，操作系统要为线程分配一系列的资源；当该 Java

线程被终止时，这个内核线程也会被回收。因此 Java 线程的创建与销毁的成本很高，从而增加系统的性能开销。

除此之外，无限制地创建线同样会给系统带来性能问题。因为 CPU

核数是有限的，大量的线程上下文切换会增加系统的性能开销。同时无限制地创建线程还可能导致 OOM。

为了解决上述两类问题，于是引入了线程池概念。

对于第一类问题，频繁创建与销毁线程：线程池复用线程，提高线程利用率，避免频繁的创建与销毁线程。

对于第二类问题，大量创建线程：线程池限制线程创建的最大数量，防止无限制地创建线程。

线程池提供了一种方式来管理线程和消费，维护基本数据统计等工作，比如统计已完成的任务数；

介绍线程池框架 Executor

Java 提供了一套线程池框架 Executor。

这个框架包括了 ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor 两个核心线程池。

ThreadPoolExecutor 是用来执行被提交的任务ScheduledThreadPoolExecutor 是用来执行定时任务。

还有一个 ForkJoinPool 则是为 ForkJoinTask 定制的线程池，与通常意义的线程池有所不同。

除此之外， Executors 类为我们提供了各种方便的静态工厂方法来简化线程池的创建。

public class ScheduledThreadPoolExecutor        extends ThreadPoolExecutor        implements ScheduledExecutorService { }

从类的定义我们可以看到，ScheduledThreadPoolExecutor 类继承自 ThreadPoolExecutor 类，因此下面我们就重点看看 ThreadPoolExecutor 类是如何实现线程池的。

ThreadPoolExecutor 的「构造参数」和「工作行为」

ThreadPoolExecutor 的构造函数非常复杂，最完备的构造函数有 7 个参数，如下面代码所示。

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

下面我们一一介绍这些参数的意义。（参考了 ThreadPoolExecutor 的 javadoc ）

线程数

corePoolSize：核心线程数

maximumPoolSize：最大线程数

线程池会根据 corePoolSize 和 maximumPoolSize 这两个参数的值，自动调整线程池大小。

当我们向线程池中提交任务时：

如果当前有少于 corePoolSize

个线程正在运行，那么将创建一个新的线程来处理请求，即使其他工作线程处于空闲状态（也就是说，前面说的正在运行的线程是指，所有已经创建的线程，包括处于空闲状态的线程）如果当前有大于等于 corePoolSize 个线程正在运行，则尝试把任务加到任务队列中如果任务队列未满，则加入成功，排队等待线程处理如果任务队列已满，并且当前有不超过 maximumPoolSize 个线程，则创建一个新的线程来处理请求如果当前有 maximumPoolSize 个线程正在运行，并且任务队列已满，那么线程池会拒绝接收任务，并按照指定的拒绝策略处理任务

通过将 corePoolSize 和 maximumPoolSize 设置为相同的值，我们可以创建固定大小的线程池。

通过将 maximumPoolSize 设置为一个本质上无界的值，例如 Integer.MAX VALUE，允许线程池容纳任意数量的线程。

通常，corePoolSize 和 maximumPoolSize 这两个参数的值只在构造 ThreadPoolExecutor 时设置，但这两个参数的值也可以使用 setCorePoolSize(int) 和 setMaximumPoolSize(int) 动态修改。通过动态修改参数的值，我们可以做到动态配置自定义线程池，感兴趣的可以了解一下。

在创建完线程池之后，默认情况下，线程池中没有任何线程，只有在新任务到达时线程才会被创建（new）和执行（start），但这可以通过使用 prestartCoreThread() 或 prestartAllCoreThreads() 方法来动态覆盖。如果使用非空队列构造线程池，则可能需要预启动线程。预启动线程在抢购系统中也经常被用到。

非核心线程的存活时间

keepAliveTime： 线程存活的实现

TimeUnit： 存活时间的单位（小时、分钟、秒、毫秒）

如果线程池当前有超过 corePoolSize 个线程，并且线程空闲的时间超过了 keepAliveTime，那么这些线程将被销毁，这样可以避免线程没有被使用时的资源浪费。

这个参数也可以使用方法 setKeepAliveTime(long，TimeUnit) 动态修改。

默认情况下，只有存在多于 corePoolSize 个线程时，才会应用 keep-alive 策略；但通过 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，将参数 allowCoreThreadTimeOut 的值设置为 true，则 keep-alive 策略也可应用于不超过 corePoolSize 个线程时。

任务队列

BlockingQueue：任务队列，用来储存等待被执行的任务

如果线程池当前有大于等于 corePoolSize 个线程正在运行，则尝试把任务加到任务队列中如果任务队列未满，则加入成功，排队等待线程处理如果任务队列已满，并且当前有不超过 maximumPoolSize 个线程，则创建一个新的线程来处理请求

也就是说，当线程数量达到 corePoolSize 个之后，不会立即扩容线程池，而是先把任务堆积到任务队列中，任务队列满了之后，才考虑扩容线程池，一直到线程个数达到 maximumPoolSize 为止。

这个任务队列必须必须是 BlockingQueue 类型的，也就是必须是阻塞队列。

阻塞队列其实就是在队列基础上支持了阻塞操作。

简单来说，阻塞操作就是：

如果队列为空，那么从队头取数据的操作会被阻塞，直到队列中有数据才能返回；如果队列已满，那么从队尾插入数据的操作会被阻塞，直到队列中有空闲位置并插入数据后，才能返回。

Java 中 BlockingQueue 类型的队列也有很多，比如：（共 8 个）

ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列LinkedBlockingQueue：基于链表结构的阻塞队列。可以在创建队列时指定容量；如果没有指定容量，那么其容量限制就自动被设置为

Integer.MAX_VALUE，成为了无界队列。SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列。每个移除操作必须等待另一个线程的插入操作，反之每个插入操作也都要等待另一个线程的移除操作。这个队列的容量是

0。PriorityBlockingQueue：具有优先级的无界阻塞队列DelayQueue：支持延时获取的无界阻塞队列，内部用 PriorityQueue 实现LinkedTransferQueue：基于链表结构的无界阻塞队列LinkedBlockingDeque：基于双向链表的阻塞队列，可以在创建队列时指定容量DelayedWorkQueue：无界阻塞队列

总结来说，BlockingQueue 类型的队列可以从以下两个维度划分：

底层结构：数组 or 单向链表 or 双向链表 or 优先级队列（DelayQueue 基于 PriorityQueue）是否有界：有界 or 无界 or 既可以有界又可以无界

理论上两个维度中两两组合，就可以构成一种类型的 BlockingQueue。

线程工厂ThreadFactory：线程工厂，用来创建线程

新线程是使用 ThreadFactory 创建的。

如果没有指定，则 ThreadPoolExecutor 的构造方法默认使用 Executors.defaultThreadFactory()，它将创建线程，使其全部位于同一个线程组中（ThreadGroup），并具有相同的优先级（默认都为 NORM_PRIORITY ）和非守护线程状态。

通过提供不同的 ThreadFactory，我们可以更改线程的名称、线程组、优先级、是否设置为守护线程等。

如果 ThreadFactory#newThread() 方法创建线程失败返回 null ，程序将继续执行，但可能无法执行任何任务。

线程应该拥有“modifyThread”运行时权限。如果工作线程或线程池的其他线程不具备此权限，则服务可能降级：配置更改可能无法及时生效，并且关闭线程池可能处于可以终止但尚未完成的状态。

// ThreadPoolExecutor 类的成员变量private static final RuntimePermission shutdownPerm =        new RuntimePermission("modifyThread");// 检查线程是否拥有 modifyThread 运行时权限// 该方法在 shutdown()、shutdownNow() 中被调用 private void checkShutdownAccess() {    SecurityManager security = System.getSecurityManager();    if (security != null) {        security.checkPermission(shutdownPerm);        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {            for (ThreadPoolExecutor.Worker w : workers)                security.checkAccess(w.thread);        } finally {            mainLock.unlock();        }    }}

线程组表示一组线程，除此之外，线程组还可以包括其他线程组。

线程组形成一个树，其中除初始线程组之外的每个线程组都有一个父线程组。

允许线程访问有关其自己的线程组的信息，但不能访问有关其线程组的父线程组或任何其他线程组的信息。

线程组的作用：

用线程组来批量管理、控制一组线程，比如：销毁线程组及其所有子组

有效地对线程或线程组对象进行组织。

每个线程（Thread）必然存在于⼀个线程组（ThreadGroup）中，线程不能独立于线程组存在。

如果 new Thread 时没有显式指定所在的线程组，那么默认将父线程 （执行当前 new Thread 的线程）所在的线程组设置为自己所在的线程组。

JVM 创建的 system 线程组是线程组树结构的跟线程组。

system 线程组是用来处理 JVM 的系统任务的线程组，例如对象的销毁等。

system 线程组的直接子线程组是 main 线程组，这个线程组至少包含一个 main 线程，用于执行 main 方法。

main 线程组的子线程组就是应用程序创建的线程组。

拒绝策略

RejectedExecutionHandler：拒绝策略

如果我们把任务提交到线程池时，被线程池拒绝接收了，线程池会按照指定的拒绝策略处理任务。

线程池拒绝接收我们提交的任务的原因（时机）可能有以下两个：

线程池中的等待被执行的任务过多，任务队列已满，并且线程数达到 maximumPoolSize线程池已经处于非 RUNNING 状态

Java 线程池框架提供了以下 4 种拒绝策略：

AbortPolicy：直接抛出 RejectedExecutionException 异常CallerRunsPolicy：用调用者所在线程（提交任务的线程）来执行任务DiscardOldestPolicy：丢弃任务队列里最早的任务，把提交的任务加入任务队列DiscardPolicy：直接丢弃提交的任务。

除了使用以上 Java 线程池框架提供的拒绝策略之外，我们还可以自定义拒绝策略。

实现自定义拒绝策略的步骤：

定义一个拒绝策略类（xxxPolicy），实现 RejectedExecutionHandler 接口实现接口里的唯一方法 void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor)在实际工作中，自定义的拒绝策略往往和降级策略配合使用。例如将任务信息插入数据库或者消息引擎系统（Kafka、RocketMQ、…）等存储系统，启用一个专门用作补偿的线程池进行补偿。

所谓降级就是在服务无法正常提供功能的情况下，采取的补救措施。

具体采用何种降级手段，这要看具体场景。

线程池的生命周期

对于有生命周期的事物，要学好它，只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制就可以了。

线程池的运行状态// Integer.SIZE = 32private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;// runState 存储在数字的高阶位中// runState is stored in the high-order bitsprivate static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

下面我们看看，和线程池的运行状态相关的 API

shutdown()：不接收新的任务，但是可以处理任务队列中的任务。（平缓的关闭过程）shutdownNow()：不接收新的任务，并且不处理任务队列中的任务（返回等待被执行的任务的列表），同时中断所有正在执行的任务。（立即关闭）isShutdown()：如果线程池的状态为 RUNNING，则返回 false，否则返回 true（描述的是非 RUNNING 状态）isTerminated()：如果线程池的状态为 TERMINATED，则返回 true，否则返回 false awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)：阻塞，直到以下三个事件之一发生就返回（无论哪个先发生）所有任务在一个关闭请求后完成执行（也就是线程池的状态为 TERMINATED），返回 true发生超时，阻塞的时间超过指定的参数，返回 false 当前线程被中断，抛出 InterruptedException 异常，上面的是 ExecutorService 接口中的方法。

下面看看 ThreadPoolExecutor 定义的方法：

isTerminating()：如果线程池的状态为非 RUNNING，非 TERMINATED，返回 true，否则返回 false（也就是说，如果正在终止但尚未终止，返回 true）检测线程池是否正处于正常状态（RUNNING），使用 isShutdown()检测线程池是否处于正在关闭，但是尚未关闭的状态，使用 isTerminating()检测线程池是否已经关闭（TERMINATED），使用 isTerminated()线程「有超时的等待」或者「永久等待」线程池关闭，使用 awaitTermination()Executors 提供的六种线程池

Executors 目前提供了 6 种不同配置的线程池创建：FixedThreadPool 、SingleThreadExecutor、CachedThreadPool、ScheduledThreadPool、SingleThreadScheduledExecutor、WorkStealingPool

我们重点介绍前 5 种。

newFixedThreadPool

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

FixedThreadPool 的构造函数的参数如代码所示：

核心线程数和最大线程数相同，意味着 FixedThreadPool 是一个固定大小的线程池，可控制并发的线程数线程的存活时间为：0 秒，意味着：如果默认 keep-alive 策略只应用于多于 corePoolSize 个线程时，那么即使线程空闲，也不会被销毁如果通过 allowCoreThreadTimeOut() 设置 keep-alive 策略也可应用于不超过 corePoolSize 个线程，那么当线程执行完一个任务后，就会被销毁（我想，没人会这么做）

任务队列为：LinkedBlockingQueue，在这里是无界队列

这里需要我们注意的是：

LinkedBlockingQueue 可以在创建队列时指定容量；如果没有指定容量，那么其容量限制就自动被设置为 Integer.MAX_VALUE，成为了无界队列。

显然这里使用的 LinkedBlockingQueue 没有指定容量，是无界队列。

使用无界队列会对线程池带来一些影响。比如当线程数达到 corePoolSize 后：

新任务将在无界队列中等待，因此线程数根本不会超过 corePoolSize，由于线程数不会超过 corePoolSize，所以 maximumPoolSize 就会失效，keepAliveTime 也就跟着失去了意义。LinkedBlockingQueue 会堆积，从而导致 java.lang.OutOfMemoryError 错误 (OOM 错误)。

FixedThreadPool 的 execute() 运行示意图如下：

我们来看看 FixedThreadPool 的 execute() 运行过程：

如果当前运行的线程数少于 corePoolSize，则创建新线程来执行任务；如果当前运行的线程数等于 corePoolSize，将提交的任务加入 LinkedBlockingQueue；线程执行完线程池中的任务后，会反复从 LinkedBlockingQueue 获取任务来执行。

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

SingleThreadExecutor 的构造函数的参数如代码所示：

核心线程数和最大线程数都为 1，意味着 SingleThreadPool 是一种创建单个线程数的线程池，那么它可以保证任务按照先进先出的顺序执行线程的存活时间为：0 秒任务队列为：LinkedBlockingQueue

我们可以看到，SingleThreadExecutor 的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 这两个参数被设置为 1。其他参数与 FixedThreadPool 相同。

SingleThreadExecutor 使用的工作队列也是无界队列 LinkedBlockingQueue ，产生的影响和 FixedThreadPool 相同。

SingleThreadExecutor 的 execute() 运行示意图如下：

我们来看看 SingleThreadExecutor 的 execute() 运行过程：

如果当前运行的线程数少于 corePoolSize，也就是线程池中无运行的线程，那么就创建一个新线程来执行任务；如果当前线程池中有一个运行的线程，那么就将提交的任务加入 LinkedBlockingQueue；线程执行完任务后，会反复从 LinkedBlockingQueue 获取任务来执行。newCachedThreadPool

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

CachedThreadPool 的构造函数的参数如代码所示：

核心线程数为：0最大线程数为：Integer. MAX_ VALUE，意味着 CachedThreadPool 可能会创建过多线程线程的存活时间为：60 秒，意味着 CachedThreadPool 中的空闲线程等待新任务的最长时间为 60 秒，空闲线程等待超过 60 秒后将会被销毁任务队列为：SynchronousQueue，SynchronousQueue 是一个没有容量为 0 的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。

因为设置核心线程数为 0，非核心线程的存活时间为 60 s，poll() 的超时时间为 60 s，所以：

首次把一个任务提交到线程池时，直接尝试把任务加入到 SynchronousQueue 阻塞队列，因为此时没有另一个线程执行 SynchronousQueue.poll() 等待取数据，所以任务加入阻塞队列失败，直接创建新的工作线程执行任务。新创建的工作线程将任务执行完成后，会执行 poll() 等待取数据。这个 poll 操作会让空闲线程最多在 SynchronousQueue 中等待 60 秒钟。如果 60 秒内把一个新的任务加入到 SynchronousQueue 阻塞队列，这个空闲线程将执行提交的新任务；如果 60 秒内没有新任务，这个空闲线程将被销毁。CachedThreadPool 的特点：如果主线程提交任务的速度高于线程池中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool 会不断创建新线程。极端情况下，CachedThreadPool 会因为创建过多线程而耗尽 CPU 和内存资源，导致内存溢出。长时间没有任务时，CachedThreadPool 不会消耗什么资源因此，CachedThreadPool 是一种用来处理大量短时间工作任务的线程池

CachedThreadPool 的 execute() 运行示意图如下：

我们来看看 CachedThreadPool 的 execute() 运行过程：

首先执行 SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果当前 maximumPool 中有空闲线程正在执行 SynchronousQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)，那么主线程执行 offer 操作与空闲线程执行的 poll 操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，execute() 方法执行完成；否则（当前 maximumPool 中没有空闲线程在执行 poll()）执行下面的步骤 2。当初始 maximumPool 为空，或者 maximumPool 中当前没有空闲线程时，将没有线程执行 SynchronousQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit. NANOSECONDS)。这种情况下，步骤 1 就会失败。此时 CachedThreadPool 会创建一个新线程执行任务，execute() 方法执行完成。在步骤 2 中新创建的线程将任务执行完后，会执 SynchronousQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit. NANOSECONDS)。这个 poll 操作会让空闲线程最多在 SynchronousQueue 中等待 60 秒钟。如果 60 秒内主线程提交了一个新任务，主线程执行步骤 1，这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。

由于空闲 60 秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的 CachedThreadPool 不会使用任何资源。

newScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);}public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,            new ScheduledThreadPoolExecutor.DelayedWorkQueue());}

ScheduledThreadPool 线程池，它创建一个可以执行延迟任务的线程池。

ScheduledThreadPool 的构造函数的参数如代码所示：

核心线程数被设置为指定的参数，由程序员构造线程池时传入最大线程数为：Integer. MAX_ VALUE任务队列为：DelayedWorkQueue，是一个无界队列，所以设置 maximumPoolSize 的大小不会生效

ScheduledThreadPoolExecutor 的任务传递示意图如下：

我们来看看 ScheduledThreadPoolExecutor 的任务传递过程：

当调用 ScheduledThreadPoolExecutor 的 scheduleAtFixedRate() 方法和

scheduleWithFixedDelay() 方法时，会向 ScheduledThreadPoolExecutor 的

DelayedWorkQueue 添加一个实现了 RunnableScheduledFutur 接口的

ScheduledFutureTask。线程池中的线程从 DelayedWorkQueue 中获取 ScheduledFutureTask，然后执行任务。

ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)：创建并执行一个周期性任务，该任务在给定的初始延迟之后首先执行，执行完成后在给定的延迟之后再执行。

ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)：创建并执行一个周期性操作，该任务在给定的初始延迟后首先执行，然后在给定的周期之后执行。也就是说，任务将在 initialDelay 之后开始，然后是在 initialDelay + period 之后开始，然后是在 initialDelay + 2 * period 之后开始，依此类推。

总结来说：

scheduleAtFixedRate 是以上一个任务开始的时间计时，period 时间过去后，检测上一个任务是否执行完毕：

如果上一个任务执行完毕，则当前任务立即执行 如果上一个任务没有执行完毕，则需要等上一个任务执行完毕后立即执行

scheduleWithFixedDelay 是以上一个任务结束时开始计时，period 时间过去后，立即执行。

注意：

通过 ScheduledExecutorService 执行的周期性任务，如果任务执行的过程中抛出了异常，那么 ScheduledExecutorService 就会停止执行任务，且不会再周期性地执行该任务了。

所以你如果想保证任务一直被周期执行，那么需要 catch 一切可能的异常。

newSingleThreadScheduledExecutor

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {    return new Executors.DelegatedScheduledExecutorService            (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));}

newSingleThreadScheduledExecutor() 和 newScheduledThreadPool(int corePoolSize)，创建的都是以个 ScheduledExecutorService，可以执行定时或周期性的任务，区别在于单一工作线程还是多个工作线程。

WorkStealingPool

public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) {    return new ForkJoinPool(parallelism,                    ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory,                    null, true);}

newWorkStealingPool(int parallelism)，这是一个经常被人忽略的线程池，Java 8 才加入这个创建方法，其内部会构建 ForkJoinPool，利用 Work-Stealing 算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

总结

FixedThreadPool 和 SingleThreadExecutor 的任务队列都是

LinkedBlockingQueue，没有数量限制，默认是 Integer.MAX_VALUE；

CachedThreadPool 和 scheduledThreadPool 中最大线程数默认

Integer.MAX_VALUE，没有限制。

当线程过多的时候，这两类线程池就都容易造成 OutOfMemoryError。所以我们在使用线程池时，最好根据实际情况自定义这些核心参数。

上面提到的几种线程池，只有 CachedThreadPool 的线程存活时间大于 0，为 60 秒，其余线程池的线程存活时间都为 0 秒。

最后

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