简介

对象的创建和销毁需要一定的开销，线程亦是对象，创建线程和销毁线程必然也需要同样的开销。
在某些情况下，线程执行的任务耗时不长，但是任务很多。这样就导致频繁的创建、销毁线程，需要很大的时间开销和资源开销。线程池应运而生。
线程池相当于在这一个池中维护多个线程，需要执行任务时从池中取出一个线程用来执行任务，任务执行完成后将线程放回池中。这样也就减少了开销。
因为减少了每个任务调度的开销，所以它能在执行大量异步任务的场景中提供更好的性能。并且它提供了一种限定和管理资源(比如线程)的方式。他也会保存一些基本的统计信息，比如已完成的任务数量。

Executor

Executor 接口中只有一个方法：

1	void execute(Runnable command);

command 为待执行的任务。

ExecutorService

ExecutorService 接口继承自 Executor 接口，并扩展了几个方法：

关于状态：

// 发出关闭信号，不会等到现有任务执行完成再返回，但是现有任务还是会继续执行，
// 可以调用awaitTermination等待所有任务执行。不再接受新的任务。
void shutdown();
 
// 立刻关闭，尝试取消正在执行的任务（不保证会取消成功），返回未被执行的任务
List<Runnable> shutdownNow();
 
// 是否发出关闭信号
boolean isShutdown();
 
// 是否所有任务都执行完毕在shutdown之后，也就是如果不调用shutdownNow或者
// shutdown是不可能返回true
boolean isTerminated();
 
// 进行等待直到所有任务完成或者超时
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

执行单个任务（立刻返回一个Future存储任务执行的实时状态）:

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
 
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
 
Future<?> submit(Runnable task);

执行多个任务（前两个方法等到所有任务完成才返回，后两个方法等到有一个任务完成，取消其他未完成的任务，返回执行完成的任务的执行结果）：

<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;
 
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
        
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;
 
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

AbstractExecutorService

该抽象类实现了 ExecutorService 接口，并提供了 ExecutorService 中各方法中的具体实现。例如 submit() 方法：

public Future<?> submit(Runnable task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
    execute(ftask);
    return ftask;
}
 
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
    execute(ftask);
    return ftask;
}
 
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
    execute(ftask);
    return ftask;
}

并扩展了两个 newTaskFor() 方法：

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
        return new FutureTask<T>(callable);
}
 
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask<T>(runnable, value);
}

FutureTask 是任务和执行结果的封装类。它实现了 RunnableFuture 接口，RunnableFuture 接口继承了 Runnable 和 Future 接口。可以通过 get() 方法获取任务的执行结果。

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 继承自 AbstractExecutorService。

初始化参数介绍

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ? null :
            AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
}

corePoolSize: 核心线程数。新任务提交过来时，如果当前活动的线程数少于 corePoolSize 会创建一个新线程来处理这个新任务即使当前有空闲线程。
maximumPoolSize：最大线程数。如果当前线程数大于 corePoolSize 小于 maximumPoolSize 且任务队列已满时也会创建新线程。
keepAliveTime：如果当前线程数量超出了 corePoolSize，超出的那部分非核心线程会在空闲超出 keepAliveTime 时被终止。这能够在线程池活跃状态不足时及时回收占用的资源。默认情况下核心线程超时不回收，可以通过配置 keepAliveTime 和 allowCoreThreadTimeOut 来允许核心线程超时回收。
unit：超时时间单位
workQueue：任务等待队列，存放任务
threadFactory：线程工厂用于生产线程。可以自定义实现
handler：也就是参数 maximumPoolSize 达到后丢弃处理的方法，java 提供了4种丢弃处理的方法；java 默认的是使用 AbortPolicy ，他的作用是当出现这中情况的时候会抛出一个异常。
1. AbortPolicy: 拒绝提交，直接抛出异常，也是默认的饱和策略；
2. CallerRunsPolicy: 线程池还未关闭时，用调用者的线程执行任务；
3. DiscardPolicy: 直接丢弃任务
4. DiscardOldestPolicy：线程池还未关闭时，丢掉阻塞队列最久为处理的任务，并且执行当前任务。

Executors 构造 ThreadPoolExecutor 对象

Executors 类提供了几个构造 ThreadPoolExecutor 对象的静态方法：

newCachedThreadPool()

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}
 
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                  threadFactory);
}

线程数量没有上界(Integer.MAX_VALUE)，有新任务提交并且没有空闲线程时，创建一个新线程执行该任务，每个线程空闲时间为 60s, 60s 空闲后线程会被移出缓存。使用 SynchronousQueue 作为任务队列的实现类。适用于执行大量生命周期短的异步任务。

newFixedThreadPool()

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
 
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                  threadFactory);
}

固定容量的线程池。使用 LinkedBlockingQueue 作为任务队列的实现类。当新任务到达时，创建新线程，当线程数达到上限时，将任务放到队列中，任务队列中任务数量没有上界。当线程创建之后就一直存在直至显式的调用 shutdown() 方法。

newSingleThreadExecutor()

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
 
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                threadFactory));
}

单个 Worker 的线程池。和 newFixedThreadPool(1) 类似，区别在于这个实例经过了一次封装，不能对该实例的参数进行重配置，并且实现了 finalize() 方法，能够在 GC 时调用 shutdown() 方法关闭该线程池。

newScheduledThreadPool()

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
 
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
    	int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
}

ScheduledThreadPoolExecutor 的功能主要有两点：在固定的时间点执行（也可以认为是延迟执行），重复执行。

newSingleThreadScheduledExecutor()

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
    return new DelegatedScheduledExecutorService
        (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
}
 
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
    return new DelegatedScheduledExecutorService
        (new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
}

将 ScheduledThreadPoolExecutor 进行一层包装。

状态转换

ThreadPoolExecutor 中一些状态相关的变量和方法如下：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;			//29
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;	//低29位表示
 
// runState is stored in the high-order bits
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;
 
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }	//c & 111000...000
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }	//c & 000111...111
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
 
/*
 * Bit field accessors that don't require unpacking ctl.
 * These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.
 */
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
    return c < s;
}
 
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
    return c >= s;
}
 
private static boolean isRunning(int c) {
    return c < SHUTDOWN;
}

线程池的状态在 ThreadPoolExecutor 中通过 AtomicInteger 类型的成员变量 ctl 的高3位表示。

RUNNING: 111
SHUTDOWN: 000
STOP: 001
TIDYING: 010
TERMINATED: 011

变量 ctl 的低29位表示的有效工作线程数。

各状态之间的转换如下图：

SHUTDOWN 想转化为 TIDYING，需要 workQueue 为空，同时 workerCount 为0。
STOP 转化为 TIDYING，需要 workerCount 为0

方法解析

execute()

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    //如果运行中的worker线程数少于设定的核心线程数，增加worker线程，把task分配给新建的worker线程
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    // 如果任务可以被加入到任务队列中，即等待的任务数还在允许的范围内，
    // 再次检查线程池是否被关闭，如果关闭的话，则移除任务并拒绝该任务
    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);
    }
    // 如果任务数超过了现有worker线程的承受范围，尝试新建worker线程
    // 如果无法添加新的worker线程，则会拒绝该任务
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

addWorker()

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);
 
        // Check if queue empty only if necessary.
        // 1. rs > shutdown，即shutdown和running以外的状态
        // 2. rs = shutdown
        //     1）firstTask不为null，即有task分配
        //     2）没有task，但是workQueue（等待任务队列）为空
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;
 
        for (;;) {
            // 1. 如果没有设定线程数的限制，worker线程数不能大于最大值（2的29次方-1）
            // 2. 如果是固定尺寸的线程池，不能大于固定尺寸
            // 3. 如果是可扩展的线程池，不能大于规定的线程数的上限
            int wc = workerCountOf(c);
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            // 用CAS操作增加线程数量，如果失败，重新循环
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }
 
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // Recheck while holding lock.
                // Back out on ThreadFactory failure or if
                // shut down before lock acquired.
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                // 检查以下任一状态是否出现
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            //执行添加失败相对应的操作
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

runWorker()

ThreadPoolExecutor 有一个成员类叫 Worker

1	private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable

这里 AbstractQueuedSynchronizer 的作用是使Worker具有锁的功能，在执行任务时，会把 Worker 锁住，这个时候就无法中断 Worker。Worker 空闲时候是线程池可以通过获取锁，改变 Worker 的某些状态，在此期间因为锁被占用，Worker 就是不会执行任务的。

Worker工作的逻辑在ThreadPoolExecutor#runWorker方法中

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        //task为null则从BlockingQueue中等待获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
            // if not, ensure thread is not interrupted.  This
            // requires a recheck in second case to deal with
            // shutdownNow race while clearing interrupt
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    task.run();
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                //完成任务数加一
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        //1. completedAbruptly为true，代表异常，则工作线程数减一
        //2. completedTaskCount += w.completedTasks; workers.remove(w);
        //3. tryTerminate();尝试停止线程池，正常运行的线程池调用该方法不会有任何动作
        //4. 如果线程池没有被关闭的话,Worker也不是异常退出，并且Worker线程数小于最小值（分类情况见源码），则新建一个Worker线程：addWorker(null, false);
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

shutdown()

public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        //检查是否可以操作目标线程
        checkShutdownAccess();
        //设置状态为SHUTDOWN
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        //中断所有空闲线程
        interruptIdleWorkers();
        onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
}

接着看下 interruptIdleWorkers() 方法：

private void interruptIdleWorkers() {
    interruptIdleWorkers(false);
}
 
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        for (Worker w : workers) {
            Thread t = w.thread;
            //中断所有的空闲线程(正在从 workQueue 中取 Task，此时 Worker 没有加锁)
            if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                } finally {
                    w.unlock();
                }
            }
            if (onlyOne)
                break;
        }
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
}

shutdownNow()

public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(STOP);
        //中断所有的线程
        interruptWorkers();
        //拒绝所有新Task的加入，WorkerQueue中没有执行的线程全部抛弃。所以此时Pool是空的，WorkerQueue也是空的。
        //获取所有没有执行的Task，并且返回。
        tasks = drainQueue();
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    //进行到TIDYING和TERMINATED的转化
    tryTerminate();
    return tasks;
}

总结

本文从 ThreadPoolExecutor 的类继承体系，到初始化参数详解，再到状态转换以及重要方法的解读，由浅入深的介绍了 ThreadPoolExecutor。通过本文可以对线程池的运行原理有一个最基本的理解。