從零手寫Java線程池到性能優化
那今天，我們就一起花10分鐘手擼一個極簡版的Java線程池，讓小伙伴們更好的理解線程池的核心原理。
本文的整體結構如下所示。
Java線程池核心原理
看過Java線程池源碼的小伙伴都知道，在Java線程池中最核心的類就是ThreadPoolExecutor，而在ThreadPoolExecutor類中最核心的構造方法就是帶有7個參數的構造方法，如下所示。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)各參數的含義如下所示。
- corePoolSize：線程池中的常駐核心線程數。
- maximumPoolSize：線程池能夠容納同時執行的最大線程數，此值大于等于1。
- keepAliveTime：多余的空閑線程存活時間，當空間時間達到keepAliveTime值時，多余的線程會被銷毀直到只剩下corePoolSize個線程為止。
- unit：keepAliveTime的單位。
- workQueue：任務隊列，被提交但尚未被執行的任務。
- threadFactory：表示生成線程池中工作線程的線程工廠，用戶創建新線程，一般用默認即可。
- handler：拒絕策略，表示當線程隊列滿了并且工作線程大于等于線程池的最大顯示數(maxnumPoolSize)時，如何來拒絕請求執行的runnable的策略。
并且Java的線程池是通過 生產者-消費者模式 實現的，線程池的使用方是生產者，而線程池本身就是消費者。
Java線程池的核心工作流程如下圖所示。
手擼Java線程池
我們自己手動實現的線程池要比Java自身的線程池簡單的多，我們去掉了各種復雜的處理方式，只保留了最核心的原理：線程池的使用者向任務隊列中添加任務，而線程池本身從任務隊列中消費任務并執行任務。
只要理解了這個核心原理，接下來的代碼就簡單多了。在實現這個簡單的線程池時，我們可以將整個實現過程進行拆解。拆解后的實現流程為：定義核心字段、創建內部類WorkThread、創建ThreadPool類的構造方法和創建執行任務的方法。
定義核心字段
首先，我們創建一個名稱為ThreadPool的Java類，并在這個類中定義如下核心字段。
- DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE：靜態常量，表示默認的阻塞隊列大小。
- workQueue：模擬實際的線程池使用阻塞隊列來實現生產者-消費者模式。
- workThreads：模擬實際的線程池使用List集合保存線程池內部的工作線程。
核心代碼如下所示。
//默認阻塞隊列大小
private static final int DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;
//模擬實際的線程池使用阻塞隊列來實現生產者-消費者模式
private BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//模擬實際的線程池使用List集合保存線程池內部的工作線程
private List<WorkThread> workThreads = new ArrayList<WorkThread>();創建內部類WordThread
在ThreadPool類中創建一個內部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程。主要的作用就是消費workQueue中的任務，并執行任務。由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務，所以，這里使用了while(true)循環不斷嘗試消費隊列中的任務。
核心代碼如下所示。
//內部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程
//主要的作用就是消費workQueue中的任務，并執行
//由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務，使用了while(true)循環不斷嘗試消費隊列中的任務
class WorkThread extends Thread{
@Override
public void run() {
//不斷循環獲取隊列中的任務
while (true){
//當沒有任務時，會阻塞
try {
Runnable workTask = workQueue.take();
workTask.run();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}創建ThreadPool類的構造方法
這里，我們為ThreadPool類創建兩個構造方法，一個構造方法中傳入線程池的容量大小和阻塞隊列，另一個構造方法中只傳入線程池的容量大小。
核心代碼如下所示。
//在ThreadPool的構造方法中傳入線程池的大小和阻塞隊列
public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){
this.workQueue = workQueue;
//創建poolSize個工作線程并將其加入到workThreads集合中
IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
WorkThread workThread = new WorkThread();
workThread.start();
workThreads.add(workThread);
});
}
//在ThreadPool的構造方法中傳入線程池的大小
public ThreadPool(int poolSize){
this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
}創建執行任務的方法
在ThreadPool類中創建執行任務的方法execute()，execute()方法的實現比較簡單，就是將方法接收到的Runnable任務加入到workQueue隊列中。
核心代碼如下所示。
//通過線程池執行任務
public void execute(Runnable task){
try {
workQueue.put(task);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}完整源碼
這里，我們給出手動實現的ThreadPool線程池的完整源代碼，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 自定義線程池
*/
publicclass ThreadPool {
//默認阻塞隊列大小
privatestaticfinalint DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE = 5;
//模擬實際的線程池使用阻塞隊列來實現生產者-消費者模式
private BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//模擬實際的線程池使用List集合保存線程池內部的工作線程
private List<WorkThread> workThreads = new ArrayList<WorkThread>();
//在ThreadPool的構造方法中傳入線程池的大小和阻塞隊列
public ThreadPool(int poolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue){
this.workQueue = workQueue;
//創建poolSize個工作線程并將其加入到workThreads集合中
IntStream.range(0, poolSize).forEach((i) -> {
WorkThread workThread = new WorkThread();
workThread.start();
workThreads.add(workThread);
});
}
//在ThreadPool的構造方法中傳入線程池的大小
public ThreadPool(int poolSize){
this(poolSize, new LinkedBlockingQueue<>(DEFAULT_WORKQUEUE_SIZE));
}
//通過線程池執行任務
public void execute(Runnable task){
try {
workQueue.put(task);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//內部類WorkThread，模擬線程池中的工作線程
//主要的作用就是消費workQueue中的任務，并執行
//由于工作線程需要不斷從workQueue中獲取任務，使用了while(true)循環不斷嘗試消費隊列中的任務
class WorkThread extends Thread{
@Override
public void run() {
//不斷循環獲取隊列中的任務
while (true){
//當沒有任務時，會阻塞
try {
Runnable workTask = workQueue.take();
workTask.run();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}沒錯，我們僅僅用了幾十行Java代碼就實現了一個極簡版的Java線程池，沒錯，這個極簡版的Java線程池的代碼卻體現了Java線程池的核心原理。
接下來，我們測試下這個極簡版的Java線程池。
編寫測試程序
測試程序也比較簡單，就是通過在main()方法中調用ThreadPool類的構造方法，傳入線程池的大小，創建一個ThreadPool類的實例，然后循環10次調用ThreadPool類的execute()方法，向線程池中提交的任務為：打印當前線程的名稱--->> Hello ThreadPool。
整體測試代碼如下所示。
package io.binghe.thread.pool.test;
import io.binghe.thread.pool.ThreadPool;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 測試自定義線程池
*/
publicclass 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");
});
});
}
}接下來，運行ThreadPoolTest類的main()方法，會輸出如下信息。
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，我們自定義的Java線程池就開發完成了。
總結
線程池的核心原理其實并不復雜，只要我們耐心的分析，深入其源碼理解線程池的核心本質，你就會發現線程池的設計原來是如此的優雅。希望通過這個手寫線程池的小例子，能夠讓你更好的理解線程池的核心原理。
注意：本章，我們實現的手寫線程池是極簡版的線程池，在《深入理解高并發編程：JDK核心技術》一書中，我們實現了手寫升級版的線程池，涵蓋：核心線程數、最大線程數、任務隊列、線程空閑超時時間、拒絕策略等。大家可以到拉取如下代碼到本地進行查看。
- GitHub：https://github.com/binghe001/mykit-concurrent-jdk。
- Gitee：https://gitee.com/binghe001/mykit-concurrent-jdk。
- GitCode：https://gitcode.net/binghe001/mykit-concurrent-jdk
拉取代碼后，mykit-concurrent-threadpool工程下的代碼便是手寫的升級版線程池，大家在理解JDK線程池執行任務的流程基礎上，自行查看即可，這里不再贅述。
