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一文帶你深入剖析Java線程池的前世今生

更新時間：2022年10月18日 08:14:26 作者：一無是處的研究僧

這篇文章主要帶大家介紹了深入剖析一下Java線程池的前世今生，了解線程池的原理以及為什么需要線程池。文中的示例代碼講解詳細，需要的可以參考一下

由線程到線程池

線程在做什么

靈魂拷問：寫了那么多代碼，你能夠用一句話簡練描述線程在干啥嗎？

public?class?Demo01?{

??public?static?void?main(String[]?args)?{
????var?thread?=?new?Thread(()?->?{
??????System.out.println("Hello?world?from?a?Java?thread");
????});
????thread.start();
??}
}

我們上面的這個用線程輸出字符串的代碼來進行說明。我們知道上面的Java代碼啟動了一個線程，然后執(zhí)行lambda函數(shù)，在以前沒有lambda表達式的時候我們可以使用匿名內(nèi)部類實現(xiàn)，向下面這樣。

public?class?Demo01?{

??public?static?void?main(String[]?args)?{
????var?thread?=?new?Thread(new?Runnable()?{
??????@Override
??????public?void?run()?{
????????System.out.println("Hello?world?from?a?Java?thread");
??????}
????});
????thread.start();
??}
}

但是本質(zhì)上Java編譯器在編譯的時候都認為傳遞給他的是一個對象，然后執(zhí)行對象的run方法。剛剛我們使用的Thread的構(gòu)造函數(shù)如下：

????public?Thread(Runnable?target)?{
????????this(null,?target,?"Thread-"?+?nextThreadNum(),?0);
????}

Thread在拿到這個對象的時候，當我們執(zhí)行Thread的start方法的時候，會執(zhí)行到一個native方法start0：

當JVM執(zhí)行到這個方法的時候會調(diào)用操作系統(tǒng)給上層提供的API創(chuàng)建一個線程，然后這個線程會去解釋執(zhí)行我們之前給Thread對象傳入的對象的run方法字節(jié)碼，當run方法字節(jié)碼執(zhí)行完成之后，這個線程就會退出。

看到這里我們仔細思考一下線程在做一件什么樣的事情，JVM給我們創(chuàng)建一個線程好像執(zhí)行完一個函數(shù)（run）的字節(jié)碼之后就退出了，線程的生命周期就結(jié)束了。確實是這樣的，JVM給我們提供的線程就是去完成一個函數(shù)，然后退出（記住這一點，這一點很重要，為你后面理解線程池的原理有很大的幫助）。事實上JVM在使用操作系統(tǒng)給他提供的線程的時候也是給這個線程傳遞一個函數(shù)地址，然后讓這個線程執(zhí)行完這個函數(shù)。只不過JVM給操作系統(tǒng)傳遞的函數(shù)，這個函數(shù)的功能就是去解釋執(zhí)行字節(jié)碼，當解釋執(zhí)行字節(jié)碼完成之后，這個函數(shù)也會退出（被系統(tǒng)回收）。

看到這里可以將線程的功能總結(jié)成一句話：執(zhí)行一個函數(shù)，當這個函數(shù)執(zhí)行完成之后，線程就會退出，然后被回收，當然這個函數(shù)可以調(diào)用其他的函數(shù)，可能你會覺得這句話非常簡單，但是這句話會我們理解線程池的原理非常有幫助。

為什么需要線程池

上面我們已經(jīng)談到了，當我們執(zhí)行start的方法的時候，最終會走到start0方法，這是一個native方法，JVM在執(zhí)行這個方法的時候會通過系統(tǒng)底層函數(shù)創(chuàng)建一個線程，然后去執(zhí)行run方法，這里需要注意，創(chuàng)建線程是需要系統(tǒng)資源的，比如說內(nèi)存，因為操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者，因此一般需要系統(tǒng)資源的方法都需要操作系統(tǒng)的參與，因此創(chuàng)建線程需要操作系統(tǒng)的幫忙，而一旦需要操作系統(tǒng)介入，執(zhí)行代碼的狀態(tài)就需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)換（內(nèi)核態(tài)能夠執(zhí)行許多用戶態(tài)不能夠執(zhí)行的指令），當操作系統(tǒng)創(chuàng)建完線程之后有需要返回用戶態(tài)，我們的代碼將繼續(xù)被執(zhí)行，整個過程像下面這樣。

從上圖可以看到我們需要兩次的上下文切換，同時還需要執(zhí)行一些操作系統(tǒng)的函數(shù)，這個過程是非常耗時間的，如果在并發(fā)非常高的情況，我們頻繁的去生成線程然后銷毀，這對我們程序的性能影響還是非常大的。因此許許多多聰明的程序員就想能不能不去頻繁的創(chuàng)建線程而且也能夠完成我們的功能——我們創(chuàng)建線程的目的就是想讓我們的程序完成的更加快速，讓多個不同的線程同時執(zhí)行不同的任務(wù)。于是線程池就被創(chuàng)造出來了。線程池的結(jié)構(gòu)大致如下所示：

線程池實現(xiàn)原理

在前面我們已經(jīng)提到了關(guān)于線程池和線程比較重要的兩個點：

線程就是執(zhí)行一個函數(shù)。
線程池當中的線程可以執(zhí)行很多函數(shù)，但是不會退出。

憑借你樸素的情感，你覺得如何實現(xiàn)上面兩個要求。答案就是在一個函數(shù)當中進行while循環(huán)，然后不斷的從任務(wù)隊列當中獲取任務(wù)函數(shù)，然后進行執(zhí)行，直到要求停止線程池當中的線程的時候線程再進行退出，整個過程的代碼大致如下所示：

??public?void?run()?{
????while?(!isStopped)?{
??????try?{
????????Runnable?task?=?tasks.take();
????????task.run();
??????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????//?do?nothing
??????}
????}
??}

關(guān)于線程池要有一部分細節(jié)也很重要，比如說我們需要一個并發(fā)安全的阻塞隊列，如何保證所有線程正常退出等等，我們在下篇文章當中進行實現(xiàn)，而且將仔細分析這里面的細節(jié)。