JDK源码走读之深入理解线程池(ThreadPoolExecutor)

Java线程池提供了一个框架来统一管理线程，通过把提交任务和执行任务解耦，使开发者无需关心线程的运行状态，只要把任务提交给线程池既可。使用线程池有以下好处：
1. 减少在创建和销毁线程上所花的时间以及系统资源的开销
2. 避免创建过多的线程导致系统资源过度消耗、系统执行效率低下

线程池可以通过工厂类Executors创建，大致分为以下几种：
1. newFixedThreadPool(int nThreads) 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待
2. newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行
3. newCachedThreadPool 创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程
4. newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行

下面深入源码来分析一下线程池的实现

Executor框架

Executor接口是整个框架的基础，下面所有类和接口都是对Executor的扩展。ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor是线程池的俩个核心类，前者是普通的线程池，后者继承前者扩展了任务定时、延迟执行等功能。
Executors则是一个工厂类，屏蔽了线程池的创建过程，通过调用不同的方法传入合适的参数类实例化不同类型的线程池。
## ThreadPoolExecutor 定义##

ThreadPoolExecutor主要由4部分构成

1. 线程池的状态，运行、终止、当前线程数等等，用于对线程池监控
2. 工作队列，用来保存提交的任务，队列可以有不同类型的实现
3. 工作（消费）线程，用来执行工作队列里的任务
4. 提交任务方法，以及一些其他方法

任务处理流程

线程池的核心是生产者消费者模型，提交一个新的任务主要流程如图所示：

1. 线程池里的线程是否小于核心线程数，如果是则创建一个新的线程执行任务，如果不是执行2
2. 工作队列是否已满，如果没有满则把任务放入队列中，如果满了执行3
3. 判断线程池是否已满（到达线程个数上限），如果没满则创建新的线程执行任务，如果满了执行4
4. 按照定义的不同策略处理无法执行的任务，如直接抛弃任务、抛出异常等等

Worker

Worker为ThreadPoolExecutor的静态内部类，实现了runnable接口并集成了AbstractQueuedSynchonrizer类，这个类有两个主要的成员变量。

1. firstTask用来保存runnable任务，提交新任务到线程池，当核心线程池不满时会创建worker并且把提交的任务赋给这个worker，确保当前任务优先执行。

2. thread对象，每创建一个worker都会对应创建一个thread对象，并且把worker自身作为task传入thread，这样执行thread.start就可以调用到worker的run方法

   
   Worker的run方法调用外部类的runWorker方法

   1. 循环调用getTask()方法获取队列中的任务执行，执行前加锁执行结束释放锁
   2. 执行任务前后根据业务场景自定义beforeExecute和afterExecute方法

getTask方法会不断的循环，从队列中取任务

1. workQueue.take：如果阻塞队列为空，当前线程会被挂起等待；当队列中有任务加入时，线程被唤醒，take方法返回任务，并执行；
2. workQueue.poll：如果在keepAliveTime时间内，阻塞队列还是没有任务，则返回null；

提交任务

调用execute(Runnable command)方法把任务提交到线程池

1. 线程池里的线程小于核心线程数，创建新的线程
2. 队列未满(往队列里添加任务成功)

3. 当核心线程已满，队列已满的情况下尝试创建非核心线程

   

4. 首选判断线程池的状态，如果线程池的状态值大于SHUTDOWN，则不处理提交任务，直接返回

5. 如果线程数量不满足要求，则直接返回不做处理。添加核心线程要求当前线程数小于核心线程数；添加非核心线程要求当前线程数小于线程池数量上限；且线程最大不能超过最大容量

6. 利用CAS尝试修改线程个数使其+1，如果成功则直接跳出循环，开始创建线程

   

7. 把提交的任务最为task构造worker
8. 把任务添加到工作队列，在添加之前获取锁添加完成释放，防止并发造成数据异常
9. 最后执行t.start()启动worker，worker会通过run方法调用外部类的runWorker方法不断的从任务队列中消费任务

创建线程池

1. corePoolSize 核心线程数线程池中的核心线程数，当提交一个任务时，线程池创建一个新线程执行任务，直到当前线程数等于corePoolSize；如果当前线程数为corePoolSize，继续提交的任务被保存到阻塞队列中，等待被执行；如果执行了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程。
2. 线程池中允许的最大线程数。如果当前阻塞队列满了，且继续提交任务，则创建新的线程执行任务，前提是当前线程数小于maximumPoolSize；
3. 线程空闲时的存活时间，即当线程没有任务执行时，继续存活的时间；默认情况下，该参数只在线程数大于corePoolSize时才有用；
4. keepAliveTime的单位；
5. 用来保存执行任务的阻塞队列，该队列泛型限制只接收Runnable类型的元素。根据传入的队列性质不同，线程池的特性也不同。

Executors是对构造方法的封装，通过传入不同的参数，使线程池具有不同的特性，不再详细描述。

总结

1. 每个worker对应一个thread，线程池通过控制worker的数量来控制并发线程数
2. 线程池实质是一个生产者消费者模型，它有一个任务队列和一个消费线程集合组成。
3. 任务通常会被提交到队列中，由消费线程执行。
4. 运行的worker线程会通过run方法调用外部类的runWorker方法不断消费任务。