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