前言
Java1.5后引入的Executor框架的最大优点是把任务的提交和执行解耦，只需把Task描述清楚，然后提交即可。至于这个Task是怎么被执行的，被谁执行的，什么时候执行的，就全部交给线程池管理。
小案例
废话不多说，先来一个小小案例。
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| import java.util.concurrent.*;public class ExecutorTest { static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); public static void main(String[] args) throws Exception { Future<String> future = executor.submit(new Task()); String result = future.get(); System.out.println(result); } static class Task implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); return "A"; } }} |
Executor框架成员
线程池实现框架中包含了一堆实现类，它们之间的关系如下，只有了解了各个类之间的关系，才能方便我们更好的理解线程池的实现。
从图中可以看到Executor、ExecutorService、ScheduledExecutorService定义线程池接口，ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor是线程池的实现，前者是一个普通的线程池，后者一个定期调度的线程池，Executors是辅助工具，用以帮助我们快速定义线程池。
参数
在初始化线程池时，不同的应用场景中，对参数的选择是很重要的，先来看看线程池的各个参数的含义：
1. workQueue：用来保存等待执行的任务的阻塞队列。
2. corePoolSize：线程池的基本大小。当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使有其它空闲的线程，直到线程数达到corePoolSize时就不再创建，这时会把提交的新任务放到阻塞队列。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
3. maximumPoolSize：线程池允许创建的最大线程数。如果阻塞队列满了，并且已经创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。
4. threadFactory：创建线程的工厂。可以通过自定义线程工厂给每个线程设置有意义的名称。如guava提供的ThreadFactoryBuilder。
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| new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build(); |
－ AbortPolicy：直接抛出异常。
－ CallerRunsPolicy：只用调用者所在的线程来运行任务。
－ DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中最近的一个任务，并执行当前任务。
－ DiscardPolicy：直接丢弃。
当然，也可以根据应用场景来实现RejectedExecutionHandler接口自定义饱和策略，如记录日志或持久化存储不能处理的任务。
6. keepAliveTime：线程活动保持时间。指工作线程空闲后，继续保持存活的时间。默认情况下，这个参数只有在线程数大于corePoolSize时才起作用。所以，如果任务很多，且每个任务的执行时间比较短，可以调大keepAliveTime，提高线程的利用率。
在初始化线程池时，对阻塞队列的选择也很重要，jdk中提供了以下几个阻塞队列：
－ ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO原则对元素进行排序。
－ LinkedBlockingQuene：基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene。
－ SynchronousQuene：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene。
－ priorityBlockingQuene：具有优先级的无界阻塞队列。
Exectors
Exectors是java线程池的工厂类，通过它可以快速初始化一个符合业务需求的线程池，主要提供了以下几种便捷的方式：
1. newFixedThreadPool：创建一个指定工作线程数的线程池，其中参数corePoolSize和maximumPoolSize相等，阻塞队列基于LinkedBlockingQuene。
它是一个典型且优秀的线程池，它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源。
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| public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());} |
（1）工作线程数量几乎没有上线，因为maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE（2147483647）。
（2）如果长时间没有提交任务，且工作线程空闲了指定的时间，则该工作线程将自动终止。如果重新提交了任务，则线程池重新创建一个工作线程。
它在没有任务执行时，会释放工作线程，从而释放工作线程所占用的资源。但是，但当提交新任务时，又要创建新的工作线程，有一定的系统开销。另外一定要注意控制任务的数量，否则由于大量线程同时运行，很有会造成系统瘫痪。
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| public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());} |
4. newScheduledThreadPool：创建一个可以在指定时间内周期性的执行任务的线程池。在实际业务中常用的场景是周期性的同步数据。
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| public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);} |
如果提交的任务需要返回结果，必须实现Callable接口。在上述小案例中，我们向线程池提交了一个实现Callable接口的任务，并通过Future的get方法，获取到返回值。第一次看这个代码，估计会有疑惑，等理解原理之后，就可以大彻大悟了。
在实际业务场景中，Callable和Future是成对出现的，Callable负责产生结果，Future负责获取结果。
Callable接口类似于Runnable，不过Runnable没有返回值。
Callable任务被执行，除了可以返回执行结果之外，如果任务发生异常，这个异常也可以被Future获取，即Future可以拿到异步执行任务各种结果。
通过深入分析FutureTask（Future的实现类）来看看案例中的逻辑是如何实现的：
Callable任务执行完成后返回一个FutureTask对象，FutureTask实现了Runnable和 Future接口。
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| public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> { private volatile int state; private static final int NEW = 0; private static final int COMPLETING = 1; private static final int NORMAL = 2; private static final int EXCEPTIONAL = 3; private static final int CANCELLED = 4; private static final int INTERRUPTING = 5; private static final int INTERRUPTED = 6; private Callable<V> callable; ...} |
2. 因为FutureTask实现了Runable接口，可以通过线程池的execute执行，这个过程后续会说明。
3. 主线程执行FutureTask.get方法，导致主线程阻塞，看看是如何实现的：
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| public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { int s = state; if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); return report(s);}// 实现主线程阻塞private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; WaitNode q = null; boolean queued = false; for (;;) { if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); else if (q == null) q = new WaitNode(); else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else LockSupport.park(this); }} |
4. 线程池中的工作线程执行FutureTask的run方法，代码如下：
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| public void run() { if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { Callable<V> c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; setException(ex); } if (ran) set(result); } } finally { // runner must be non-null until state is settled to // prevent concurrent calls to run() runner = null; // state must be re-read after nulling runner to prevent // leaked interrupts int s = state; if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); }} |
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| protected void set(V v) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state finishCompletion(); }}//设置异常protected void setException(Throwable t) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state finishCompletion(); }}//唤醒主线程的核心实现private void finishCompletion() { // assert state > COMPLETING; for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { for (;;) { Thread t = q.thread; if (t != null) { q.thread = null; LockSupport.unpark(t); } WaitNode next = q.next; if (next == null) break; q.next = null; // unlink to help gc q = next; } break; } } done(); callable = null; // to reduce footprint} |
（1）把正常返回值或执行期间捕获的异常赋值给outcome。
（2）设置FutureTask的状态为NORMAL或EXCEPTIONAL。
（3）通过LockSupport.unpark(t)唤醒主线程。
任务提交
向线程池提交任务有两种：
1. execute()：用于提交不需要返回值的任务，这个方式无法判断任务是否执行成功。
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| executor.execute(runnableTask); |
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| Future<String> future = executor.submit(callableTask); |
实现原理
接下去一起进入线程池内部的实现细节。
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| public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { // 线程池的控制状态（用来表示线程池的运行状态（整形的高3位）和运行的worker数量（低29位）） private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); // 29位的偏移量 private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 最大容量（2^29 - 1） private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1; // runState is stored in the high-order bits // 线程运行状态，总共有5个状态，需要3位来表示（所以偏移量的29 = 32 - 3） private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; // 阻塞队列 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 可重入锁 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); // 存放工作线程集合 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); // 终止条件 private final Condition termination = mainLock.newCondition(); // 最大线程池容量 private int largestPoolSize; // 已完成任务数量 private long completedTaskCount; // 线程工厂 private volatile ThreadFactory threadFactory; // 拒绝执行处理器 private volatile RejectedExecutionHandler handler; // 线程等待运行时间 private volatile long keepAliveTime; // 是否运行核心线程超时 private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut; // 核心池的大小 private volatile int corePoolSize; // 最大线程池大小 private volatile int maximumPoolSize; // 默认拒绝执行处理器 private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy(); // private static final RuntimePermission shutdownPerm = new RuntimePermission("modifyThread"); ...} |
－ RUNNING ： 接受新任务并且处理已经进入阻塞队列的任务。
－ SHUTDOWN ： 不接受新任务，但是处理已经进入阻塞队列的任务。
－ STOP : 不接受新任务，不处理已经进入阻塞队列的任务并且中断正在运行的任务。
－ TIDYING : 所有的任务都已经终止，workerCount为0， 线程转化为TIDYING状态并且调用terminated钩子函数 。
－ TERMINATED: terminated钩子函数已经运行完成。
当向线程池提交一个任务时，线程池是如何处理这个任务？先看示意图和代码实现：
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| public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get();// 获取线程池状态 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) // 添加工作线程 return; c = ctl.get(); } if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); if (!isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } else if (!addWorker(command, false)) reject(command); } |
（1）如果当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新的工作线程处理任务，否则进入步骤2。
（2）如果线程池处于运行状态，则把任务放入BlockingQueue中，如果可用工作线程为0时，则创建新的工作线程，处理BlockingQueue的任务。
（3）如果无法将任务加入到BlockingQueue，则创建新的线程处理任务，前提是目前运行的线程数小于maximumPoolSize，否则进入步骤4
（4）任务被拒绝。
由于工作线程时存放在HashSet中的，所以在访问工作线程的时候，需要进行加锁操作。
以前我有一个疑问：为什么线程池中的一个线程在生命周期内可以连续执行多个任务？按理说线程执行完之后，理应被回收销毁。
线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker：
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| private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { final Thread thread; Runnable firstTask; volatile long completedTasks; Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } /** Delegates main run loop to outer runWorker */ public void run() { runWorker(this); } protected boolean tryAcquire(int unused) { if (compareAndSetState(0, 1)) { setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } protected boolean tryRelease(int unused) { setExclusiveOwnerThread(null); setState(0); return true; } public void lock() { acquire(1); } public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); } public void unlock() { release(1); } ... } |
从上面可以看出，工作线程Worker继承了同步器AQS，对同步器AQS不了解的可以看看深入浅出java同步器，同时还实现Runable接口，为什么要这么设计？因为在线程池创建工作线程worker成功后，直接调用work.start()方法启动该线程（即在worker实例中初始化的线程），并在runWorker方法中传递了自身实例，接下去让我们看看线程池的核心方法runWorker：
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| final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { while (task != null || (task = getTask()) != null) { w.lock(); try { task.run(); } finally { task = null; w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } } private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } int wc = workerCountOf(c); // Are workers subject to culling? boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } } |
从上述实现可以看出，
（1）工作线程开始执行任务之前，先释放锁（设置state为0），表示允许中断。
（2）如果当前任务为空，则通过getTask从阻塞队列中获取任务。如果线程池状态或配置参数改变，导致getTask返回null，或者其它内部错误抛出异常，会触发processWorkerExit方法。
（3）在工作线程执行任务之前，需要获取锁。其实我没明白这里为什么要获取锁，注释上是说为了防止在任务执行期间，其它线程中断，了解的同学可以留言告知，不慎感激。
（4）每个任务执行时都会触发beforeExecute操作，用户可以自定义任务执行前的操作，如果beforeExecute抛出异常，就不会执行任务了。
（5）假设beforeExecute和task都执行完成，会触发afterExecute操作，这个方法也可以自定义用户操作。
工作线程在执行完当前任务后，通过while循环，从阻塞队列中获取任务。
（1）workQueue.take()方法，如果阻塞队列中没有任务，当前工作线程在阻塞队列的条件变量上等待挂起。
（2）workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)方法，如果在keepAliveTime时间内，阻塞队列还是没有任务，返回null。
总结
合理的利用线程池，可以给我们带来以下好处：
（1）降低资源消耗。
（2）提高响应速度。
（3）提高线程的可管理性。
线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。
ThreadPoolExecutor是线程池框架的一个核心类，通过对源码的分析，可以知道其对资源进行了复用，并非无限制的创建线程，可以有效的减少线程创建和切换的开销。
本文转自：
占小狼（简书作者）
原文链接：http://www.jianshu.com/p/87bff5cc8d8c
转载请并标注: “本文转载自 linkedkeeper.com (文／张松然)”
