簡書 占小狼
轉(zhuǎn)載請注明原創(chuàng)出處，謝謝！

2017/04/23 于復(fù)興中路裸心社
回頭看看之前寫的這篇文章，印象中讀源碼的興趣源頭似乎來自于Java線程池，當(dāng)山頭被一座一座攻克時，你會發(fā)現(xiàn)掉到一個大坑中，因?yàn)椴欢念I(lǐng)域的實(shí)在太多。

前言

線程是稀缺資源，如果被無限制的創(chuàng)建，不僅會消耗系統(tǒng)資源，還會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理的使用線程池對線程進(jìn)行統(tǒng)一分配、調(diào)優(yōu)和監(jiān)控，有以下好處：
1、降低資源消耗；
2、提高響應(yīng)速度；
3、提高線程的可管理性。

Java1.5中引入的Executor框架把任務(wù)的提交和執(zhí)行進(jìn)行解耦，只需要定義好任務(wù)，然后提交給線程池，而不用關(guān)心該任務(wù)是如何執(zhí)行、被哪個線程執(zhí)行，以及什么時候執(zhí)行。

demo

1、Executors.newFixedThreadPool(10)初始化一個包含10個線程的線程池executor；
2、通過executor.execute方法提交20個任務(wù)，每個任務(wù)打印當(dāng)前的線程名；
3、負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)的線程的生命周期都由Executor框架進(jìn)行管理；

ThreadPoolExecutor

Executors是java線程池的工廠類，通過它可以快速初始化一個符合業(yè)務(wù)需求的線程池，如Executors.newFixedThreadPool方法可以生成一個擁有固定線程數(shù)的線程池。

其本質(zhì)是通過不同的參數(shù)初始化一個ThreadPoolExecutor對象，具體參數(shù)描述如下：

corePoolSize

線程池中的核心線程數(shù)，當(dāng)提交一個任務(wù)時，線程池創(chuàng)建一個新線程執(zhí)行任務(wù)，直到當(dāng)前線程數(shù)等于corePoolSize；如果當(dāng)前線程數(shù)為corePoolSize，繼續(xù)提交的任務(wù)被保存到阻塞隊(duì)列中，等待被執(zhí)行；如果執(zhí)行了線程池的prestartAllCoreThreads()方法，線程池會提前創(chuàng)建并啟動所有核心線程。

maximumPoolSize

線程池中允許的最大線程數(shù)。如果當(dāng)前阻塞隊(duì)列滿了，且繼續(xù)提交任務(wù)，則創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)，前提是當(dāng)前線程數(shù)小于maximumPoolSize；

keepAliveTime

線程空閑時的存活時間，即當(dāng)線程沒有任務(wù)執(zhí)行時，繼續(xù)存活的時間；默認(rèn)情況下，該參數(shù)只在線程數(shù)大于corePoolSize時才有用；

unit

keepAliveTime的單位；

workQueue

用來保存等待被執(zhí)行的任務(wù)的阻塞隊(duì)列，且任務(wù)必須實(shí)現(xiàn)Runable接口，在JDK中提供了如下阻塞隊(duì)列：
1、ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的有界阻塞隊(duì)列，按FIFO排序任務(wù)；
2、LinkedBlockingQuene：基于鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列，按FIFO排序任務(wù)，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene；
3、SynchronousQuene：一個不存儲元素的阻塞隊(duì)列，每個插入操作必須等到另一個線程調(diào)用移除操作，否則插入操作一直處于阻塞狀態(tài)，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene；
4、priorityBlockingQuene：具有優(yōu)先級的無界阻塞隊(duì)列；

threadFactory

創(chuàng)建線程的工廠，通過自定義的線程工廠可以給每個新建的線程設(shè)置一個具有識別度的線程名。

handler

線程池的飽和策略，當(dāng)阻塞隊(duì)列滿了，且沒有空閑的工作線程，如果繼續(xù)提交任務(wù)，必須采取一種策略處理該任務(wù)，線程池提供了4種策略：
1、AbortPolicy：直接拋出異常，默認(rèn)策略；
2、CallerRunsPolicy：用調(diào)用者所在的線程來執(zhí)行任務(wù)；
3、DiscardOldestPolicy：丟棄阻塞隊(duì)列中靠最前的任務(wù)，并執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)；
4、DiscardPolicy：直接丟棄任務(wù)；
當(dāng)然也可以根據(jù)應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)RejectedExecutionHandler接口，自定義飽和策略，如記錄日志或持久化存儲不能處理的任務(wù)。

Exectors

Exectors工廠類提供了線程池的初始化接口，主要有如下幾種：

newFixedThreadPool

初始化一個指定線程數(shù)的線程池，其中corePoolSize == maximumPoolSize，使用LinkedBlockingQuene作為阻塞隊(duì)列，不過當(dāng)線程池沒有可執(zhí)行任務(wù)時，也不會釋放線程。

newCachedThreadPool

1、初始化一個可以緩存線程的線程池，默認(rèn)緩存60s，線程池的線程數(shù)可達(dá)到Integer.MAX_VALUE，即2147483647，內(nèi)部使用SynchronousQueue作為阻塞隊(duì)列；
2、和newFixedThreadPool創(chuàng)建的線程池不同，newCachedThreadPool在沒有任務(wù)執(zhí)行時，當(dāng)線程的空閑時間超過keepAliveTime，會自動釋放線程資源，當(dāng)提交新任務(wù)時，如果沒有空閑線程，則創(chuàng)建新線程執(zhí)行任務(wù)，會導(dǎo)致一定的系統(tǒng)開銷；

所以，使用該線程池時，一定要注意控制并發(fā)的任務(wù)數(shù)，否則創(chuàng)建大量的線程可能導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題。

newSingleThreadExecutor

初始化的線程池中只有一個線程，如果該線程異常結(jié)束，會重新創(chuàng)建一個新的線程繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，唯一的線程可以保證所提交任務(wù)的順序執(zhí)行，內(nèi)部使用LinkedBlockingQueue作為阻塞隊(duì)列。

newScheduledThreadPool

初始化的線程池可以在指定的時間內(nèi)周期性的執(zhí)行所提交的任務(wù)，在實(shí)際的業(yè)務(wù)場景中可以使用該線程池定期的同步數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)原理

除了newScheduledThreadPool的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)特殊一點(diǎn)之外，其它幾個線程池都是基于ThreadPoolExecutor類實(shí)現(xiàn)的。

線程池內(nèi)部狀態(tài)

其中AtomicInteger變量ctl的功能非常強(qiáng)大：利用低29位表示線程池中線程數(shù)，通過高3位表示線程池的運(yùn)行狀態(tài)：
1、RUNNING：-1 << COUNT_BITS，即高3位為111，該狀態(tài)的線程池會接收新任務(wù)，并處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)；
2、SHUTDOWN： 0 << COUNT_BITS，即高3位為000，該狀態(tài)的線程池不會接收新任務(wù)，但會處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)；
3、STOP ： 1 << COUNT_BITS，即高3位為001，該狀態(tài)的線程不會接收新任務(wù)，也不會處理阻塞隊(duì)列中的任務(wù)，而且會中斷正在運(yùn)行的任務(wù)；
4、TIDYING ： 2 << COUNT_BITS，即高3位為010；
5、TERMINATED： 3 << COUNT_BITS，即高3位為011；

任務(wù)提交

線程池框架提供了兩種方式提交任務(wù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求選擇不同的方式。

Executor.execute()

通過Executor.execute()方法提交的任務(wù)，必須實(shí)現(xiàn)Runnable接口，該方式提交的任務(wù)不能獲取返回值，因此無法判斷任務(wù)是否執(zhí)行成功。

ExecutorService.submit()

通過ExecutorService.submit()方法提交的任務(wù)，可以獲取任務(wù)執(zhí)行完的返回值。

任務(wù)執(zhí)行

當(dāng)向線程池中提交一個任務(wù)，線程池會如何處理該任務(wù)？

execute實(shí)現(xiàn)

具體的執(zhí)行流程如下：
1、workerCountOf方法根據(jù)ctl的低29位，得到線程池的當(dāng)前線程數(shù)，如果線程數(shù)小于corePoolSize，則執(zhí)行addWorker方法創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)；否則執(zhí)行步驟（2）；
2、如果線程池處于RUNNING狀態(tài)，且把提交的任務(wù)成功放入阻塞隊(duì)列中，則執(zhí)行步驟（3），否則執(zhí)行步驟（4）；
3、再次檢查線程池的狀態(tài)，如果線程池沒有RUNNING，且成功從阻塞隊(duì)列中刪除任務(wù)，則執(zhí)行reject方法處理任務(wù)；
4、執(zhí)行addWorker方法創(chuàng)建新的線程執(zhí)行任務(wù)，如果addWoker執(zhí)行失敗，則執(zhí)行reject方法處理任務(wù)；

addWorker實(shí)現(xiàn)

從方法execute的實(shí)現(xiàn)可以看出：addWorker主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建新的線程并執(zhí)行任務(wù)，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

這只是addWoker方法實(shí)現(xiàn)的前半部分：
1、判斷線程池的狀態(tài)，如果線程池的狀態(tài)值大于或等SHUTDOWN，則不處理提交的任務(wù)，直接返回；
2、通過參數(shù)core判斷當(dāng)前需要創(chuàng)建的線程是否為核心線程，如果core為true，且當(dāng)前線程數(shù)小于corePoolSize，則跳出循環(huán)，開始創(chuàng)建新的線程，具體實(shí)現(xiàn)如下：

線程池的工作線程通過Woker類實(shí)現(xiàn)，在ReentrantLock鎖的保證下，把Woker實(shí)例插入到HashSet后，并啟動Woker中的線程，其中Worker類設(shè)計(jì)如下：
1、繼承了AQS類，可以方便的實(shí)現(xiàn)工作線程的中止操作；
2、實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，可以將自身作為一個任務(wù)在工作線程中執(zhí)行；
3、當(dāng)前提交的任務(wù)firstTask作為參數(shù)傳入Worker的構(gòu)造方法；

從Woker類的構(gòu)造方法實(shí)現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：線程工廠在創(chuàng)建線程thread時，將Woker實(shí)例本身this作為參數(shù)傳入，當(dāng)執(zhí)行start方法啟動線程thread時，本質(zhì)是執(zhí)行了Worker的runWorker方法。

runWorker實(shí)現(xiàn)

runWorker方法是線程池的核心：
1、線程啟動之后，通過unlock方法釋放鎖，設(shè)置AQS的state為0，表示運(yùn)行中斷；
2、獲取第一個任務(wù)firstTask，執(zhí)行任務(wù)的run方法，不過在執(zhí)行任務(wù)之前，會進(jìn)行加鎖操作，任務(wù)執(zhí)行完會釋放鎖；
3、在執(zhí)行任務(wù)的前后，可以根據(jù)業(yè)務(wù)場景自定義beforeExecute和afterExecute方法；
4、firstTask執(zhí)行完成之后，通過getTask方法從阻塞隊(duì)列中獲取等待的任務(wù)，如果隊(duì)列中沒有任務(wù)，getTask方法會被阻塞并掛起，不會占用cpu資源；

getTask實(shí)現(xiàn)

整個getTask操作在自旋下完成：
1、workQueue.take：如果阻塞隊(duì)列為空，當(dāng)前線程會被掛起等待；當(dāng)隊(duì)列中有任務(wù)加入時，線程被喚醒，take方法返回任務(wù)，并執(zhí)行；
2、workQueue.poll：如果在keepAliveTime時間內(nèi)，阻塞隊(duì)列還是沒有任務(wù)，則返回null；

所以，線程池中實(shí)現(xiàn)的線程可以一直執(zhí)行由用戶提交的任務(wù)。

Future和Callable實(shí)現(xiàn)

通過ExecutorService.submit()方法提交的任務(wù)，可以獲取任務(wù)執(zhí)行完的返回值。

在實(shí)際業(yè)務(wù)場景中，F(xiàn)uture和Callable基本是成對出現(xiàn)的，Callable負(fù)責(zé)產(chǎn)生結(jié)果，F(xiàn)uture負(fù)責(zé)獲取結(jié)果。
1、Callable接口類似于Runnable，只是Runnable沒有返回值。
2、Callable任務(wù)除了返回正常結(jié)果之外，如果發(fā)生異常，該異常也會被返回，即Future可以拿到異步執(zhí)行任務(wù)各種結(jié)果；
3、Future.get方法會導(dǎo)致主線程阻塞，直到Callable任務(wù)執(zhí)行完成；

submit實(shí)現(xiàn)

通過submit方法提交的Callable任務(wù)會被封裝成了一個FutureTask對象。

FutureTask

1、FutureTask在不同階段擁有不同的狀態(tài)state，初始化為NEW；
2、FutureTask類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，這樣就可以通過Executor.execute方法提交FutureTask到線程池中等待被執(zhí)行，最終執(zhí)行的是FutureTask的run方法；

FutureTask.get實(shí)現(xiàn)

內(nèi)部通過awaitDone方法對主線程進(jìn)行阻塞，具體實(shí)現(xiàn)如下：

1、如果主線程被中斷，則拋出中斷異常；
2、判斷FutureTask當(dāng)前的state，如果大于COMPLETING，說明任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成，則直接返回；
3、如果當(dāng)前state等于COMPLETING，說明任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完，這時主線程只需通過yield方法讓出cpu資源，等待state變成NORMAL；
4、通過WaitNode類封裝當(dāng)前線程，并通過UNSAFE添加到waiters鏈表；
5、最終通過LockSupport的park或parkNanos掛起線程；

FutureTask.run實(shí)現(xiàn)

FutureTask.run方法是在線程池中被執(zhí)行的，而非主線程
1、通過執(zhí)行Callable任務(wù)的call方法；
2、如果call執(zhí)行成功，則通過set方法保存結(jié)果；
3、如果call執(zhí)行有異常，則通過setException保存異常；

set

setException

set和setException方法中，都會通過UnSAFE修改FutureTask的狀態(tài)，并執(zhí)行finishCompletion方法通知主線程任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成；

finishCompletion

1、執(zhí)行FutureTask類的get方法時，會把主線程封裝成WaitNode節(jié)點(diǎn)并保存在waiters鏈表中；
2、FutureTask任務(wù)執(zhí)行完成后，通過UNSAFE設(shè)置waiters的值，并通過LockSupport類unpark方法喚醒主線程；

我是占小狼
坐標(biāo)魔都，白天上班族，晚上是知識的分享者
如果讀完覺得有收獲的話，歡迎點(diǎn)贊加關(guān)注