1. 写在前面
1.1 线程池是什么
线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的工具，经常出现在多线程服务器中，如MySQL。
线程过多会带来额外的开销，其中包括创建销毁线程的开销、调度线程的开销等等，同时也降低了计算机的整体性能。线程池维护多个线程，等待监督管理者分配可并发执行的任务。这种做法，一方面避免了处理任务时创建销毁线程开销的代价，另一方面避免了线程数量膨胀导致的过分调度问题，保证了对内核的充分利用。
而本文描述线程池是JDK中提供的ThreadPoolExecutor类。
当然，使用线程池可以带来一系列好处：
- 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
- 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
- 提高 线程 的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。
- 提供更多更强大的功能：线程池具备可拓展性，允许开发人员向其中增加更多的功能。比如延时定时线程池ScheduledThreadPoolExecutor，就允许任务延期执行或定期执行。
1.2 线程池解决的问题是什么
线程池解决的核心问题就是资源管理问题。在并发环境下，系统不能够确定在任意时刻中，有多少任务需要执行，有多少资源需要投入。这种不确定性将带来以下若干问题：
- 频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能会非常巨大。
- 对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险。
- 系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性。
为解决资源分配这个问题，线程池采用了“池化”（Pooling）思想。池化，顾名思义，是为了最大化收益并最小化风险，而将资源统一在一起管理的一种思想。
Pooling is the grouping together of resources (assets, equipment, personnel, effort, etc.) for the purposes of maximizing advantage or minimizing risk to the users. The term is used in finance, computing and equipment management.——wikipedia
“池化”思想不仅仅能应用在计算机领域，在金融、设备、人员管理、工作管理等领域也有相关的应用。
在计算机领域中的表现为：统一管理IT资源，包括服务器、存储、和网络资源等等。通过共享资源，使用户在低投入中获益。除去线程池，还有其他比较典型的几种使用策略包括：
- 内存池(Memory Pooling)：预先申请内存，提升申请内存速度，减少内存碎片。
- 连接池(Connection Pooling)：预先申请数据库连接，提升申请连接的速度，降低系统的开销。
- 实例池(Object Pooling)：循环使用对象，减少资源在初始化和释放时的昂贵损耗。
在了解完“是什么”和“为什么”之后，下面我们来一起深入一下线程池的内部实现原理。
2. 线程池核心设计与实现
本章基于JDK17的源码来分析Java线程池的核心设计与实现。
2.1 总体设计
我们首先来看一下ThreadPoolExecutor的UML类图，了解下ThreadPoolExecutor的继承关系。
ThreadPoolExecutor是如何运行，如何同时维护线程和执行任务的呢？其运行机制如下图所示：
核心代码解读
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute
首先获取ctl 值 ctl 是一个AtomicInteger 类型 高三位表示线程的状态低29位表示线程的数量，这样设计的好处就是避免了处理状态和数量的不一致场景；第一个if判断是否小于核心线程数如果小于核心线程数就添加一个work 成功直接返回失败重新获取一下ctl；第二个if判断线程池为running 状态并且向阻塞队列插入任务成功，然后再次判断线程池如果非running并且删除任务成功执行拒绝策略，如果任务数为0添加任务；第三个if 非核心线程任务如果失败执行拒绝策略；
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
上面的代码有一个很重要的方法就是java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker
首先检查线程池是为 shutdown和stop状态 直接返回false 线程池是运行的？在判断任务队列为空或者给定的任务不是空的返回false；其次在根据传入的是否为核心线程判断工作的线程数量是大于核心线程数或大于最大线程数数大于直接返回false；没返回通过cas增加任务数量成功跳出最外层循环，失败重新判断线程池状态进入下次循环；任务数添加成功就是创建work对象，判断worker对象的是否还持有线程对象也就是线程是否回收了，回收了就执行添加失败的逻辑，没有回收就获取锁持有锁后检查线程池和线程状态检查通过添加worker到worker集合
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (int c = ctl.get();;) {
// Check if queue empty only if necessary.
if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
&& (runStateAtLeast(c, STOP)
|| firstTask != null
|| workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
if (workerCountOf(c)
>= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN))
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int c = ctl.get();
if (isRunning(c) ||
(runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {
if (t.getState() != Thread.State.NEW)
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
workerAdded = true;
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}