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字节 - 2024/12/25

📝 题解：

Java线程池的底层结构主要由以下几个核心组件组成，这些组件协同工作以实现高效的线程管理和任务调度：

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1. 核心参数

线程池通过以下参数控制其行为：

• corePoolSize：核心线程数，即使空闲也不会被回收，除非设置allowCoreThreadTimeOut。
• maximumPoolSize：最大线程数，当任务队列满且线程数未达此值时，创建新线程。
• keepAliveTime：非核心线程的空闲存活时间，超时后回收。
• workQueue：任务队列（如LinkedBlockingQueue），存储待执行的任务。
• threadFactory：线程工厂（如DefaultThreadFactory），用于创建新线程。
• handler：拒绝策略（如AbortPolicy），当任务队列和线程池均满时处理新任务。

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2. 核心数据结构

(1) 控制状态变量 ctl

• 类型：AtomicInteger，高3位表示线程池状态，低29位表示有效线程数。
• 状态：
  • RUNNING：接受新任务并处理队列中的任务。
  • SHUTDOWN：不接受新任务，但处理队列中的任务。
  • STOP：不接受新任务，不处理队列任务，并中断正在执行的任务。
  • TIDYING：所有任务已终止，线程池即将终止。
  • TERMINATED：线程池完全终止。

(2) 工作线程 Worker

• 实现：继承自AbstractQueuedSynchronizer（AQS），简化锁管理。
• 作用：封装线程和任务执行逻辑，每个Worker对应一个线程。
• 生命周期：
  • 创建时绑定初始任务。
  • 通过runWorker()循环从队列中获取任务执行。
  • 空闲超时或线程池关闭时终止。

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3. 任务处理流程

当调用execute(Runnable command)提交任务时：

1. 核心线程未满：创建新Worker线程执行任务。
2. 核心线程已满：任务入队到workQueue。
3. 队列已满且线程未达最大值：创建新非核心线程执行任务。
4. 队列和线程均满：触发拒绝策略（如抛出异常RejectedExecutionException）。

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null) throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    // 1. 当前线程数 < corePoolSize
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) return;
        c = ctl.get();
    }
    // 2. 任务入队
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 双重检查线程池状态
        int recheck = ctl.get();
        if (!isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 3. 创建非核心线程（若队列已满）
    else if (!addWorker(command, false))
        // 4. 触发拒绝策略
        reject(command);
}

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4. 工作队列（BlockingQueue）

• 常用实现：
  • LinkedBlockingQueue：无界或有界队列（默认无界，需谨慎避免OOM）。
  • ArrayBlockingQueue：有界队列，固定容量。
  • SynchronousQueue：不存储元素，直接传递任务（如CachedThreadPool）。
  • DelayedWorkQueue：延迟队列（用于ScheduledThreadPool）。

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5. 拒绝策略（RejectedExecutionHandler）

• AbortPolicy（默认）：抛出RejectedExecutionException。
• CallerRunsPolicy：由提交任务的线程直接执行任务。
• DiscardPolicy：静默丢弃任务。
• DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，并重新提交当前任务。

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6. 线程池状态转换

1. RUNNING → SHUTDOWN：调用shutdown()，停止接受新任务。
2. RUNNING/SHUTDOWN → STOP：调用shutdownNow()，中断所有线程。
3. STOP → TIDYING：所有线程终止且任务队列为空。
4. TIDYING → TERMINATED：调用terminated()钩子方法后进入终止状态。

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7. 常见线程池类型

线程池	实现方式
FixedThreadPool	corePoolSize = maximumPoolSize，使用无界队列（易OOM）。
CachedThreadPool	corePoolSize = 0，maximumPoolSize = Integer.MAX_VALUE，适合短时异步任务。
SingleThreadExecutor	单线程执行，保证任务顺序。
ScheduledThreadPool	使用DelayedWorkQueue，支持定时/周期性任务。

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8. 线程池监控与调优

• 监控指标：
  • getPoolSize()：当前线程数。
  • getActiveCount()：活跃线程数。
  • getCompletedTaskCount()：已完成任务数。
  • getQueue().size()：队列中待处理任务数。
• 调优建议：
  • CPU密集型任务：线程数 ≈ CPU核心数。
  • I/O密集型任务：线程数 ≈ CPU核心数 × (1 + 平均等待时间/计算时间)。
  • 避免使用无界队列，防止内存溢出。

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总结

Java线程池通过核心参数控制线程生命周期、工作队列管理任务缓冲、Worker封装线程执行逻辑，实现了高效的线程复用和任务调度。理解其底层结构有助于合理配置线程池参数，优化系统性能并避免资源耗尽问题。