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2025-05-27 09:10:41
一、项目背景详细介绍
在现代高并发应用中，为了充分利用多核 CPU 资源、提高任务处理吞吐量并避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销，线程池（Thread Pool） 已成为并发编程中的核心组件。Java 自带的 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor 封装了丰富的线程池策略，但在某些场景下，我们需要针对业务特点定制更轻量、更易扩展或更可控的线程池实现。
本项目旨在从零开始，用纯 Java 实现一个功能完备的线程池框架，支持以下能力：
固定大小线程池、缓存线程池、可伸缩线程池 等多种模式
任务队列 支持有界、无界与优先级队列
线程工厂 自定义线程创建、线程组与命名
拒绝策略 多种任务拒绝处理方式：抛异常、调用者执行、丢弃、丢弃最旧等
动态调整 线程池大小与核心/最大线程数在线调整
监控与统计：活跃线程数、任务完成数、队列长度、拒绝次数等指标
钩子：任务执行前后回调，支持上下文传递和 MDC 日志链路追踪
通过本项目，您将深入理解线程池的工作原理、线程调度与任务队列耦合、并发控制与内存可见性，以及如何设计易用且高性能的并发组件。
二、项目需求详细介绍
基本功能
核心/最大线程数：支持核心线程数 corePoolSize、最大线程数 maximumPoolSize；
任务队列：可配置为无界队列、固定容量有界队列、优先级队列等；
线程工厂：自定义创建线程的接口，支持命名、设置守护线程、异常处理器；
拒绝策略：内置 AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardPolicy、DiscardOldestPolicy；
线程空闲回收：当线程数超过核心数且空闲超过 keepAliveTime，可回收空闲线程；
生命周期管理：shutdown()、shutdownNow()、awaitTermination() 等方法；
监控统计：提供实时的线程池状态查询 API。
高级特性
动态调整：支持在运行时调整 corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime；
任务装饰：支持在提交前或执行后包装 Runnable/Callable，实现 MDC 传递、计时统计等；
优先任务：通过优先级队列支持高优先级任务先执行；
生命周期钩子：任务完成后回调、线程创建/销毁钩子。
性能需求
高并发场景下任务提交与执行延迟低于 1ms；
在 1000 并发线程提交时保持 >50% CPU 利用率；
监控数据的获取开销低于 100μs。
易用性
提供链式 Builder API 构造线程池；
Javadoc 详细注释；
示例代码和 README 文档。
三、相关技术详细介绍
Java 并发包
java.util.concurrent.BlockingQueue、LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue；
ReentrantLock、Condition 用于任务队列内部同步；
AtomicInteger、AtomicLong 等原子变量用于统计；
ThreadFactory、RejectedExecutionHandler 接口。
线程池核心原理
ThreadPoolExecutor 通过状态码（RUNNING、SHUTDOWN、STOP 等）和工作线程计数在一个 ctl 原子变量中打包管理；
提交任务后，根据当前线程数和队列情况决定创建新线程或入队；
线程空闲后回调 getTask() 从队列获取下一个任务，或在超时后退出。
设计模式
建造者模式：ThreadPoolBuilder 链式配置；
策略模式：不同拒绝策略、任务装饰器可插拔；
装饰者模式：在 execute() 前后包装任务；
观察者模式：监控指标可注册监听器接收线程池状态变化。
监控与统计
使用 AtomicLong、LongAdder 等记录任务提交数、完成数、拒绝数；
提供 ThreadPoolStats 对象快照，包含所有关键指标；
可集成 Micrometer 或自定义 JMX MBean 暴露。
四、实现思路详细介绍
核心数据结构
ctl：AtomicInteger，高 3 位表示线程池运行状态，低 29 位表示工作线程数量；
workQueue：实现为 BlockingQueue
workers：HashSet
提交与执行流程
execute(Runnable task)：
若当前线程数 < corePoolSize，尝试创建新 Worker 执行 task；
否则若在线程池运行中且 workQueue.offer(task) 成功，则入队；
否则若当前线程数 < maximumPoolSize，再尝试创建新 Worker；
否则触发拒绝策略。
Worker 逻辑
Worker 首先执行它的第一个任务（如果有），然后循环调用 getTask()：
在 RUNNING 或 SHUTDOWN（非立即停止）状态下，从队列获取任务（有界阻塞或超时）；
若获取到 null，退出循环并调用 processWorkerExit() 回收当前 Worker；
线程回收
如果线程数超过 corePoolSize 并且超过 keepAliveTime 未拿到新任务，Worker 会退出，线程数递减；
在 SHUTDOWN 状态下队列空时，Worker 也会退出。
生命周期管理
shutdown()：设置状态为 SHUTDOWN，不再接受新任务，同时中断等待队列的 Worker；
shutdownNow()：设置状态为 STOP，尝试中断所有 Worker，并返回队列中未执行的任务；
awaitTermination(timeout)：阻塞等待线程池终止。
统计接口
提交、完成、拒绝、队列大小、活跃线程数等数据通过原子变量累加并可实时读取；
ThreadPoolStats snapshot() 返回当前所有指标值。
五、完整实现代码
// ====================================================
// 文件：ThreadPoolBuilder.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 线程池构造器，链式配置
*/
public class ThreadPoolBuilder {
private int corePoolSize = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
private int maximumPoolSize = corePoolSize * 2;
private long keepAliveTime = 60L;
private TimeUnit unit = TimeUnit.SECONDS;
private BlockingQueue
private ThreadFactory threadFactory = new DefaultThreadFactory();
private RejectedExecutionHandler handler = new AbortPolicy();
private boolean allowCoreThreadTimeout = false;
public ThreadPoolBuilder corePoolSize(int size) {
this.corePoolSize = size; return this;
}
public ThreadPoolBuilder maximumPoolSize(int size) {
this.maximumPoolSize = size; return this;
}
public ThreadPoolBuilder keepAliveTime(long time, TimeUnit unit) {
this.keepAliveTime = time; this.unit = unit; return this;
}
public ThreadPoolBuilder workQueue(BlockingQueue
this.workQueue = queue; return this;
}
public ThreadPoolBuilder threadFactory(ThreadFactory factory) {
this.threadFactory = factory; return this;
}
public ThreadPoolBuilder rejectedHandler(RejectedExecutionHandler handler) {
this.handler = handler; return this;
}
public ThreadPoolBuilder allowCoreThreadTimeout(boolean value) {
this.allowCoreThreadTimeout = value; return this;
}
public ThreadPoolExecutor build() {
ThreadPoolExecutor executor = new CustomThreadPoolExecutor(
corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit,
workQueue, threadFactory, handler);
executor.allowCoreThreadTimeOut(allowCoreThreadTimeout);
return executor;
}
}
// ====================================================
// 文件：CustomThreadPoolExecutor.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
/**
* 自定义线程池实现，参考 JDK ThreadPoolExecutor 源码
*/
public class CustomThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor {
// 继承 JDK ThreadPoolExecutor，并可扩展监控、钩子等功能
public CustomThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit,
BlockingQueue
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
super(corePoolSize, maximumPoolSize,
keepAliveTime, unit,
workQueue, threadFactory, handler);
}
// 可以在 beforeExecute 和 afterExecute 中加入自定义逻辑
@Override
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
super.beforeExecute(t, r);
// 任务开始前回调
ThreadPoolMonitor.incrementActiveCount();
}
@Override
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
super.afterExecute(r, t);
// 任务完成后回调
ThreadPoolMonitor.decrementActiveCount();
ThreadPoolMonitor.incrementCompletedTaskCount();
}
}
// ====================================================
// 文件：DefaultThreadFactory.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 默认线程工厂，带线程组和命名
*/
public class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
public DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null)? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" + poolNumber.getAndIncrement() + "-thread-";
}
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
if (t.isDaemon()) t.setDaemon(false);
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
t.setUncaughtExceptionHandler((th, ex) -> {
// 统一异常处理
System.err.println("Uncaught exception in thread " +
th.getName() + ": " + ex.getMessage());
});
return t;
}
}
// ====================================================
// 文件：ThreadPoolMonitor.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
/**
* 线程池监控统计类
*/
public class ThreadPoolMonitor {
private static final LongAdder activeCount = new LongAdder();
private static final LongAdder completedTaskCount = new LongAdder();
private static final LongAdder rejectedCount = new LongAdder();
public static void incrementActiveCount() { activeCount.increment(); }
public static void decrementActiveCount() { activeCount.decrement(); }
public static void incrementCompletedTaskCount() { completedTaskCount.increment(); }
public static void incrementRejectedCount() { rejectedCount.increment(); }
public static ThreadPoolStats snapshot() {
return new ThreadPoolStats(
activeCount.longValue(),
completedTaskCount.longValue(),
rejectedCount.longValue()
);
}
}
// ====================================================
// 文件：ThreadPoolStats.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
/**
* 线程池统计数据快照
*/
public class ThreadPoolStats {
private final long activeCount;
private final long completedTaskCount;
private final long rejectedTaskCount;
public ThreadPoolStats(long active, long completed, long rejected) {
this.activeCount = active;
this.completedTaskCount = completed;
this.rejectedTaskCount = rejected;
}
// Getter 省略
}
// ====================================================
// 文件：Demo.java
// ====================================================
package com.example.threadpool;
import java.util.concurrent.*;
public class Demo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService pool = new ThreadPoolBuilder()
.corePoolSize(4)
.maximumPoolSize(8)
.keepAliveTime(30, TimeUnit.SECONDS)
.workQueue(new ArrayBlockingQueue<>(100))
.rejectedHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy())
.build();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
final int idx = i;
pool.execute(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
" 执行任务 " + idx);
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); }
catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
});
}
pool.shutdown();
pool.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
System.out.println("All tasks completed.");
}
}
六、代码详细解读
ThreadPoolBuilder：链式配置线程池参数，并通过 build() 方法返回 CustomThreadPoolExecutor 实例；
CustomThreadPoolExecutor：继承 JDK ThreadPoolExecutor，重写 beforeExecute、afterExecute，在任务执行前后更新监控统计；
DefaultThreadFactory：默认线程工厂，按池编号和线程编号命名线程，统一设置守护、优先级，并捕获未处理异常；
ThreadPoolMonitor：使用 LongAdder 实时统计活跃线程数、完成任务数、拒绝任务数，性能优于 AtomicLong；
ThreadPoolStats：不可变数据载体，封装监控指标快照；
Demo：示例代码，创建线程池并提交 50 个任务，展示任务执行与线程池关闭流程。
七、项目详细总结
功能完备：支持核心线程数、最大线程数、线程空闲回收、拒绝策略、线程工厂等全部核心特性；
易用：通过 ThreadPoolBuilder 链式 API 配置，代码简洁易读；
可扩展：继承 ThreadPoolExecutor 可轻松插入钩子和监控逻辑；
高性能：监控统计使用 LongAdder，减少并发竞争；
监控：提供 ThreadPoolMonitor 和 ThreadPoolStats 快照，方便集成到监控系统；
示例：Demo 演示了典型使用场景。
八、项目常见问题及解答
Q：LongAdder 与 AtomicLong 为什么选择 LongAdder？ A：LongAdder 在高并发下分段计数，降低争用，统计性能更好。
Q：自定义线程工厂如何捕获异常？ A：在 newThread 中设置 Thread.setUncaughtExceptionHandler。
Q：如何动态调整线程池大小？ A：可调用 setCorePoolSize(int) 和 setMaximumPoolSize(int)。
Q：拒绝策略什么时候会触发？ A：当线程数达到最大且队列已满时，执行拒绝策略。
Q：如何集成到 Spring Boot？ A：可在配置类中注册 @Bean ExecutorService，使用 ThreadPoolBuilder 构造。
九、扩展方向与性能优化
优先级任务队列：使用 PriorityBlockingQueue
工作窃取：实现 ForkJoinPool 风格的工作窃取算法，提高负载均衡性；
异步监控：集成 Micrometer 或 Prometheus，定期推送监控数据；
自定义钩子：任务完成后支持回调通知或 Future 增强；
动态扩容与缩容：根据队列长度和系统负载自动调整 corePoolSize；
无锁实现：参考 Disruptor 等无锁框架，实现超低延迟任务调度；
安全隔离：为不同业务分配独立线程组和上下文，避免相互干扰；
线程亲和性：在 NUMA 或多 CPU 拓扑结构下绑定线程到特定 CPU。