Java线程池ThreadPoolExecutor实现原理

线程属于稀缺资源，对于线程的创建规则，引用《阿里巴巴 Java 手册》中的一条进行说明。

本篇从源码方面介绍ThreadPoolExecutor对象，并简要解析线程池工作原理。

首先ThreadPoolExecutor中定义了几个 线程池状态常量 。

// 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;

• RUNNING是运行状态，线程池可以接收新任务
• SHUTDOWN是在调用shutdown()方法以后处在的状态。表示不再接收新任务，但队列中的任务可以执行完毕
• STOP是在调用shutdownNow()方法以后的状态。不再接收新任务，中断正在执行的任务，抛弃队列中的任务
• TIDYING表示所有任务都执行完毕
• TERMINATED为中止状态，调用terminated()方法后，尝试更新为此状态

看一下构造方法的参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {        
    }

• corePoolSize是线程池的核心线程数
• maximumPoolSize是线程池允许的最大线程数
• keepAliveTime为线程空闲时的存活时间
• unit是keepAliveTime的单位
• workQueue是用来保存等待被执行的线程的队列
• threadFactory，线程工厂，通常使用默认工厂，定义了线程名称生成规则。
• handler是当最大线程数和队列都满了以后，线程池的处理策略

这里可以简单看下JDK中已有的4种饱和策略handler：

• AbortPolicy：默认策略，直接抛出异常，throw new RejectedExecutionException
• CallerRunsPolicy：如果线程池没有中止，直接用调用者的线程资源执行任务
• DiscardOldestPolicy：如果线程池没有中止，移除队列第一个任务，再执行当前任务
• DiscardPolicy：什么也不做，直接抛弃这个任务

也可以自定义饱和策略，只需实现RejectedExecutionHandler接口。

再看一下JDK中的workQueue队列：

• ArrayBlockingQueue：基于数组实现
  
• LinkedBlockingQueue：基于链表实现， 默认容量Integer.MAX_VALUE
• SynchronousQuene：不存储元素，每个插入操作必须等待另一个线程调用移除操作
• priorityBlockingQuene：具有优先级的队列

JDK提供了Executors工厂类。这里面有几种实例化线程池的方法：

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

指定了线程数，且corePoolSize == maximumPoolSize。

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

可缓存线程池。最大线程数达到Integer.MAX_VALUE。所以在使用该线程池时，一定要控制并发数，不然会创建很多线程，占用大量资源。

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

只有一个线程的线程池，可以保证提交任务的顺序执行。

上面的实例方法都很方便，但是在开发中创建线程池时，最好不好使用Executors类中的初始化方法。见《阿里巴巴 Java 手册》：

最后看一下ThreadPoolExecutor执行任务的方法

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                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);
    }

• 判断command是否为空
• 获取线程状态
• 计算线程池中的线程数量，如果数量小于corePoolSize，就创建一个新线程执行任务
• 如果线程池正在运行状态，且写入队列成功。
• 再次获取线程池状态。判断，如果线程状态变成了非运行状态，就从队列中移除任务，调用reject()方法执行饱和策略handler
• 如果线程池为空，就创建一个新线程执行任务
• 如果第4步判断没有通过，尝试建立线程执行任务，若没有成功，就执行饱和策略handler

以一张简单的流程图描述上面的步骤：

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