一、写在前面
参考阿里开发规约,创建线程池一般用ThreadPoolExecutor
在高并发程序中，频繁创建与销毁线程是一种极其低效且不可控的行为。为了解决这个问题，Java 提供了线程池（ThreadPoolExecutor）这一强大的并发框架。它不仅提高了任务处理的效率，也帮助我们更好地控制系统资源，是现代高性能服务架构中的基石。
本文将从线程池的概念、设计目的、核心实现机制、任务调度流程、Worker 管理机制等方面入手
1.1 线程池是什么
线程池是一种线程复用机制，它维护了一组可以重复使用的工作线程，任务到来时无需创建新线程，而是复用已有线程执行任务，任务执行完毕后线程不会被销毁，而是回到池中待命。
Java 中的核心实现是 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor。
1.2 线程池解决了什么问题
| 问题 | 线程池的解决方案 |
|---|---|
| 线程创建销毁开销大 | 线程复用，避免频繁构造/销毁 |
| 系统资源不可控 | 线程数量上限可设，避免 OOM |
| 并发请求过多无法及时处理 | 使用阻塞队列缓存任务，异步处理 |
| 调度和控制困难 | 提供任务调度、拒绝策略、监控接口 |
| 缺乏任务管理能力 | 可统一提交、执行、取消任务 |
二、线程池核心设计与实现
2.1 总体设计架构
Java 线程池主要由以下组件构成：
┌──────────────┐ submit(Runnable)
│ 主线程调用 ├────────────────┐
└──────────────┘ ▼┌──────────────┐│任务提交 execute│└─────┬────────┘▼┌────────────┐ （1）创建核心线程执行任务│ WorkerSet │ ←────────────────────────┐└────┬───────┘ │▼ │┌────────────────┐ ││ BlockingQueue │ ←───────（2）入队等待执行 │└──────┬─────────┘ │▼ │（3）队列满，扩容线程池 （4）满了，执行拒绝策略▼ ▼┌────────────────┐ ┌────────────────┐│ maximumPoolSize│ │ rejectHandler()│└────────────────┘ └────────────────┘
2.2 生命周期管理
线程池有五种状态，由高位表示，低位为线程数量（workerCount），统一由 ctl 原子变量管理。
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| RUNNING | 接收新任务，处理队列 |
| SHUTDOWN | 拒收新任务，继续处理队列 |
| STOP | 拒收新任务，中断执行线程 |
| TIDYING | 所有任务执行完，清理中 |
| TERMINATED | 清理完成，彻底关闭 |
生命周期状态在任务提交、线程退出、关闭线程池等场景中都会动态变化。
2.3 任务执行机制
2.3.1 任务调度流程（execute）
executor.execute(task) 时的完整流程：
-
线程池运行状态检查，若不是 RUNNING，直接拒绝任务。
-
线程数 < corePoolSize：创建新线程执行任务。
-
线程数 ≥ corePoolSize：尝试将任务放入队列。
-
队列已满 && 线程数 < maximumPoolSize：创建非核心线程执行任务。
-
队列满 && 已达最大线程数：执行拒绝策略（默认抛异常）。
2.3.2 任务缓冲机制
任务队列用于缓存尚未执行的任务：
| 队列类型 | 特性 |
|---|---|
ArrayBlockingQueue | 有界 FIFO 队列，避免内存溢出 |
LinkedBlockingQueue | 默认无界队列，适合任务速率平稳 |
SynchronousQueue | 不存储任务，适用于高并发 |
PriorityBlockingQueue | 支持优先级任务 |
任务是否入队，决定了线程是否扩容。
2.3.3 任务申请（线程取任务）
任务的获取由 getTask() 方法完成：
-
优先从队列中 poll 一个任务
-
若获取失败，且超出 keepAliveTime，线程会退出
-
如果线程池关闭，线程立即退出
2.3.4 任务拒绝策略
当线程池无法接收任务时，会调用 RejectedExecutionHandler：
| 策略 | 描述 |
|---|---|
AbortPolicy（默认） | 抛出异常 |
DiscardPolicy | 直接丢弃任务 |
DiscardOldestPolicy | 丢弃队列中最老的任务 |
CallerRunsPolicy | 调用线程自己执行任务（削峰） |
合理的拒绝策略有助于保护系统稳定性。
2.4 Worker 线程管理机制
2.4.1 Worker 线程
Worker 是线程池中用于执行任务的线程封装类，它本质是一个实现了 Runnable 接口的任务执行单元，每个 Worker 包含：
-
一个真正的 Thread 对象
-
一个任务任务引用
-
一个 run() 循环体：从队列中不断拉取任务执行
2.4.2 Worker 线程的创建（addWorker）
线程池根据当前任务和线程数决定是否调用 addWorker() 增加线程：
-
当线程数 < corePoolSize：创建核心线程
-
当队列已满 && 线程数 < maximumPoolSize：创建临时线程
使用 ThreadFactory 可定制线程名称、优先级等。
2.4.3 Worker 线程的回收
非核心线程超过 keepAliveTime 会被自动回收：
-
降低资源占用
-
避免长期占用 CPU/内存
-
通过
allowCoreThreadTimeOut(true)也可使核心线程超时回收
回收逻辑在 getTask() 中实现。
2.4.4 Worker 线程执行任务流程
Worker 启动后，在 run() 方法中循环调用：
while ((task != null || (task = getTask()) != null)) {beforeExecute()try {task.run();} finally {afterExecute()}
}
执行完任务后尝试从队列中取下一个任务，直到线程超时或线程池关闭。
总结
Java 的线程池设计是非常经典的“并发容器”之一，其优雅地处理了：
-
线程的 复用与销毁
-
任务的 排队与拒绝
-
系统的 稳定性与扩展性
它不是简单的任务线程分发器，更是一个具备“智能调度、弹性扩容、精细管控”能力的多线程平台。
附录：推荐配置建议
| 场景 | 核心参数建议 |
|---|---|
| 接口服务 | corePoolSize = CPU 核心数，队列有限，拒绝策略为 CallerRuns |
| IO 密集 | maximumPoolSize 设置略高，使用 SynchronousQueue |
| 定时任务 | 使用 ScheduledThreadPoolExecutor |
| 高并发网关 | 使用自定义线程工厂 + 有界队列 + 指标监控 |
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