1. 线程池的核心组件以及核心类
Java中的线程池是通过Executor框架实现的，在该框架中用到的Executor，Executors,ExecutorService,ThreadPoolExecutor,callAble,FuturRe,FutureTask这几个核心类，具体的关系如下图所示：
- Executor，线程池的顶级接口，仅提供一个无返回值的提交任务方法
void execute(Runanble runable)方法。 - ExecutorService：派生Executor,扩展了很多功能，如：关闭线程池，提交任务并返回结果数据，唤醒线程池的任务等
- AbstractExecutorService：派生自ExecutorService接口，实现了几个非常实现的方法，供子类进行调用
2. 线程池 -ThreadPoolExecutor
2.1 线程池状态
注：线程池的状态只能从左到右扭转
- RUNING()：线程池运行状态，能接受新的任务，也能处理队列里的任务
- SHUTDOWN：关闭状态，不能再接受新的任务，但是可以处理阻塞队列已经保存的任务，当线程池处于Running状态的时候，可用过调用shutDown方法，使线程池处于该状态
- STOP：不能接受任务，也不能处理阻塞队列已经保存的任务，调用shutDownNow方法，会使线程池处于该状态；shutDownNow方法，会手动清空任务队列的task， 并返回任务队列的task集合。
- TIDYING：如果所有的任务都已经终止，有效线程数为0（阻塞队列为空，线程池中的工作线程数量
为0），线程池就会进入该状态 - terminted：处于Tidying状态的线程池调用terminated()方法，会使用线程池进入该状态
合理配置线程池建议:
- CPU密集型：CPU+1
- IO密集型：CPU*2+1
2.2 线程池7大参数及工作流程
- corePoolSize ： 核心线程数
- maximumPoolSize：最大线程数
- workQueue：任务队列
- keepAliveTime：线程没有任务执行时最多保持多久时间终止，当线程池中的线程数量大于corePoolSize时，如果此时没有新的任务提交，核心线程外的线程不会立即销毁，需要等待，直到等待的时间超过了keepAliveTime就会终止
- unit：keepAliveTime的时间单位
- threadFactory：线程工厂，用来创建线程，默认会提供一个默认的工厂来创建线程，当使用默认的工厂来创建线程时，会使新创建的线程具有相同的优先级，并且是非守护的线程，同时也设置了线程的名称
- rejectHandler：拒绝处理任务时的策略，如果workQueue阻塞队列满了，并且没有空闲的线程池，此时，继续提交任务，需要采取一种策略来处理这个任务；jdk提供了四种默认拒绝策略：
- 直接抛出异常，实现类为AbortPolicy
- 用调用者所在的线程来执行任务，实现类为CallerRunsPolicy
- 丢弃队列最靠前的任务，然后再调用提交任务的方法提交任务，实现类为DiscardOldestPolicy
- 直接丢弃当前任务，实现类为DiscardPolicy
2.3 Executors-创建线程池的常用类
2.3.1 newCachedThreadPool
功能：创建一个可缓存的线程池，如果线程池的大小超过了需要，可以灵活回收空闲线程，如果没有可回收线程，则需要新建线程
原理：线程池参数，核心线程为0，最大线程数据取Integer.MAX_VALUE，keepAliveTime 为60s，阻塞队列为SynchronousQueue
2.3.2 newFixedThreadPool
功能：创建一个定长线程池，可控制线程的最大并发数，超出的线程会在队列中等待
原理：核心线程数和最大线程数为同一个相同参数，keepAliveTime为0，阻塞对垒为LinkedBlockingQueue
2.2.3 newScheduledThreadPool
功能：创建一个支持定时周期性执行任务的线程池
原理：创建ScheduledThreadPoolExecutor，核心线程参数为入参，最大线程数为Integer.MAX_VALUE，keepAliveTime为0，阻塞队列为DelayedWorkQueue
2.2.4 newSingleThreadExecutor
功能：创建一个单线程化的线程池
原理：核心线程数和最大线程数都为1，keepAliveTime为0，阻塞队列为LinkedBlockingQueue
2.3.5 为什么不能用JDK提供的默认线程池
- 任务队列无界
- 线程池工厂无法自定义
3.ThreadPoolExecutor源码解析
3.1 核心字段属性
// 1.可以看做一个int类型的数字，高3位表示线程池状态，低29位表示worke线程的数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 2.Integer.SIZE为32，所以COUNT_BITS为29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 3. `CAPACITY`，线程池允许的最大线程数。1左移29位，然后减1，即为 2^29 - 1
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 4. 线程池有5种状态，按大小排序如下：RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED
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;
// 5. `runStateOf()`，获取线程池状态，按位与操作，低29位全部变成0
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 6. `workerCountOf()`，获取线程池worker数量，按位与操作，高3位将全部变成0
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
// 7. `ctlOf()`，根据线程池状态和线程池worker数量，生成ctl值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
3.2 构造方法
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
// 基本参数校验
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 空指针校验
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
// 根据传入参数`unit`和`keepAliveTime`，将存活时间转换为纳秒并存到变量`keepAliveTime `
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
3.3 execute()-提交任务方法
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// worker数量比核心线程数小，直接创建worker执行任务
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// worker数量超过核心线程数，任务直接进入队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 线程池状态不是RUNNING状态，说明执行过shutdown命令，需要对新加入的任务执行reject()操作。
// 因为线程池状态可能发生变化，所以进入队列前，需要再check一下
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 在线程池构造方法中，核心线程数允许为0,所以需要判断一下是否是0值
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 如果线程池不是运行状态，或者任务进入队列失败，则尝试创建worker执行任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
- addWorker内部会判断线程池状态，其第二个参数表示是否会创建核心线程，如果返回false,则会执行reject操作。
3.4 addworker()-新增工作线程
总体来说，addWorker(Runanble firstTask,boolean core) 可以分为两步：
- 第一步：CAS安全的向线程池添加工作线程：主要是通过双层for循环，外层循环先获取线程池状态，然后校验校验线程池状态；内存循环，先获取线程池worker个数，通过CAS安全设置worker线程个数，如果设置成功，则跳出循环；失败，则校验线程池状态是否发生变化，如果变化，则跳到外层循环，否则，直接走内存循环逻辑。
- 第二步：创建worker线程，并通过ReentrantLock 将woker线程添加到工作线程集合中去。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 外层自旋 线程个数加1
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
// 内层自旋，主要是以cas的方法增加线程个数
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// worker数量超过容量，直接返回false
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 使用CAS的方式增加worker数量。
// 若增加成功，则直接跳出外层循环进入到第二部分
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 线程池状态发生变化，对外层循环进行自旋
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 其他情况，直接内层循环进行自旋即可
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 独占锁 保证操作worker集合同步
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// worker的添加必须是串行的，因此需要加锁
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 这儿需要重新检查线程池状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// worker已经调用过了start()方法，则不再创建worker
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// worker创建并添加到workers成功
workers.add(w);
// 更新`largestPoolSize`变量
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 启动worker线程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// worker线程启动失败，说明线程池状态发生了变化（关闭操作被执行），需要进行shutdown相关操作
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
3.5 工作线程的执行逻辑-runWorker
通过上面分析我们已经清楚，线程池处理业务的逻辑单元为Worker类，Worker类图如下：
Worker的run方法，会直接调用runWoker方法，下面直接分析runWorker()方法源码：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 调用unlock()是为了让外部可以中断
w.unlock(); // allow interrupts
// 这个变量用于判断是否进入过自旋（while循环）
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 阻塞队列的特性就是：当队列为空时，当前线程会被阻塞等待
// getTask()
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 这儿对worker进行加锁，是为了达到下面的目的
// 1. 降低锁范围，提升性能
w.lock();
// 如果线程池正在停止，则对当前线程进行中断操作
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
// 执行任务，且在执行前后通过`beforeExecute()`和`afterExecute()`来扩展其功能。
// 这两个方法在当前类里面为空实现。
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 {
// 帮助gc
task = null;
// 已完成任务数加一
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 自旋操作被退出，说明线程池正在结束
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
在getTask方法中：
- 当woker线程超过核心线程数时，会调用阻塞队列的poll(long timeout, TimeUnit unit) 方法，即空闲线程的存活时间(
线程池的七大参数)。 - 如果是核心线程，getTask在获取任务的时候，调用阻塞队列的
take()方法，该方法一直会阻塞线程，直到有的任务进入队列，既当线程池空闲时，线程池中的核心线程的状态为block.
