Java中的线程池，相信大家都接触过或者使用过，它里面到底是怎么运作的，不知道大家有没有去实际了解过？这篇文章将带领大家去看看它内部结构和实现原理。
继承关系
代码语言：javascript复制public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {}
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {}
public interface ExecutorService extends Executor {}ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor。
顶层接口Executor提供了一种思想：将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程，如何调度线程来执行任务，用户只需提供Runnable对象，将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中，由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分。
1、ExecutorService接口增加了一些能力：
- 扩充执行任务的能力，补充可以为一个或一批异步任务生成Future的方法；
- 提供了管控线程池的方法，比如停止线程池的运行。
2、AbstractExecutorService则是上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。
3、最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分
- ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期，另一方面同时管理线程和任务，使两者良好的结合从而执行并行任务。
- ThreadPoolExecutor在内部实际上构建了一个生产者消费者模型，将线程和任务两者解耦，并不直接关联，从而良好的缓冲任务，复用线程。
线程池的运行主要分成两部分：任务管理、线程管理。
任务管理部分充当生产者的角色，当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转：
- 直接申请线程执行该任务；
- 缓冲到队列中等待线程执行；
- 拒绝该任务。
线程管理部分是消费者，它们被统一维护在线程池内，根据任务请求进行线程的分配，当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。
线程池状态
线程池内部使用一个变量ctl来维护两个值：运行状态(runState)和线程数量 (workerCount)。
在具体实现中，线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护放在了一起。ctl是一个AtomicInteger类型，高3位保存runState，低29位保存workerCount，两个变量之间互不干扰。用一个变量去存储两个值，可避免在做相关决策时，出现不一致的情况，不必为了维护两者的一致，而占用锁资源。
通过阅读线程池源代码也可以发现，经常出现要同时判断线程池运行状态和线程数量的情况。线程池也提供了若干方法去供用户获得线程池当前的运行状态、线程个数。这里都使用的是位运算的方式，相比于基本运算，速度也会快很多。
代码语言：javascript复制private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 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; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }任务调度机制
一般我们使用线程池，都是直接调用它的execute方法，代码如下：
代码语言：javascript复制public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
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);
}上面代码的主要逻辑如下：
- 1、首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
- 2、如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
- 3、如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
- 4、如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
- 5、如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。
任务缓冲
任务缓冲模块是线程池能够管理任务的核心部分。线程池的本质是对任务和线程的管理，而做到这一点最关键的思想就是将任务和线程两者解耦，不让两者直接关联，才可以做后续的分配工作。
线程池中是以生产者消费者模式，通过一个阻塞队列来实现的。阻塞队列缓存任务，工作线程从阻塞队列中获取任务。
代码语言：javascript复制private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。
这两个附加的操作是：
- 在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
- 当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。
1. BlockingQueue的核心方法
1、放入数据：
- offer(anObject):表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则返回false.（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
- offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入BlockingQueue，则返回失败。
- put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到BlockingQueue里面有空间再继续. 2、获取数据：
- poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,取不到时返回null;
- poll(long timeout, TimeUnit unit)：从BlockingQueue取出一个队首的对象，如果在指定时间内，队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
- take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到BlockingQueue有新的数据被加入;
- drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数）， 通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。
2. 阻塞队列的实现
- ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
- LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
- PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
- DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。
获取待执行任务
由上文的任务分配部分可知，任务的执行有两种可能：
- 一种是任务直接由新创建的线程执行。
- 另一种是线程从任务队列中获取任务然后执行，执行完任务的空闲线程会再次去从队列中申请任务再去执行。
第一种情况仅出现在线程初始创建的时候，第二种是线程获取任务绝大多数的情况。线程需要从任务缓存模块中不断地取任务执行，帮助线程从阻塞队列中获取任务，实现线程管理模块和任务管理模块之间的通信。这部分策略由getTask方法实现:
代码语言：javascript复制private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}getTask这部分进行了多次判断，为的是控制线程的数量，使其符合线程池的状态。如果线程池现在不应该持有那么多线程，则会返回null值。工作线程Worker会不断接收新任务去执行，而当工作线程Worker接收不到任务的时候，就会开始被回收。
任务拒绝
任务拒绝模块是线程池的保护部分，线程池有一个最大的容量，当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时，就需要拒绝掉该任务，采取任务拒绝策略，保护线程池。
拒绝策略是一个接口，其设计如下：
代码语言：javascript复制public interface RejectedExecutionHandler {
/**
* Method that may be invoked by a {@link ThreadPoolExecutor} when
* {@link ThreadPoolExecutor#execute execute} cannot accept a
* task. This may occur when no more threads or queue slots are
* available because their bounds would be exceeded, or upon
* shutdown of the Executor.
*
* <p>In the absence of other alternatives, the method may throw
* an unchecked {@link RejectedExecutionException}, which will be
* propagated to the caller of {@code execute}.
*
* @param r the runnable task requested to be executed
* @param executor the executor attempting to execute this task
* @throws RejectedExecutionException if there is no remedy
*/
void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}线程池提供了以下几种策略：
- 1、AbortPolicy：该策略是线程池的默认策略。使用该策略时，如果线程池队列满了丢掉这个任务并且抛出RejectedExecutionException异常。
- 2、DiscardPolicy：如果线程池队列满了，会直接丢掉这个任务并且不会有任何异常。
- 3、DiscardOldestPolicy：这个策略从字面上也很好理解，丢弃最老的。也就是说如果队列满了，会将最早进入队列的任务删掉腾出空间，再尝试加入队列。因为队列是队尾进，队头出，所以队头元素是最老的，因此每次都是移除对头元素后再尝试入队。
- 4、CallerRunsPolicy：使用此策略，如果添加到线程池失败，那么调用线程（提交任务的线程）会自己去执行该任务，不会等待线程池中的线程去执行。
如果以上策略都不符合业务场景，那么可以自己定义一个拒绝策略，只要实现RejectedExecutionHandler接口，并且实现rejectedExecution方法就可以了。具体的逻辑就在rejectedExecution方法里去定义就OK了。
工作线程
线程池提供了一个工作线程任务的概念，对应实现类如下：
代码语言：javascript复制private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
}Worker这个工作线程，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。
- thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；
- firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。
线程池需要管理线程的生命周期，需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用，这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。
代码语言：javascript复制private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();Worker是通过继承AQS，使用AQS来实现独占锁这个功能。没有使用可重入锁ReentrantLock，而是使用AQS，为的就是实现不可重入的特性去反应线程现在的执行状态。
- lock方法一旦获取了独占锁，表示当前线程正在执行任务中。
- 如果正在执行任务，则不应该中断线程。
- 如果该线程现在不是独占锁的状态，也就是空闲的状态，说明它没有在处理任务，这时可以对该线程进行中断。
- 线程池在执行shutdown方法或tryTerminate方法时会调用interruptIdleWorkers方法来中断空闲的线程，interruptIdleWorkers方法会使用tryLock方法来判断线程池中的线程是否是空闲状态；如果线程是空闲状态则可以安全回收。
执行任务
执行任务也就是执行工作线程，也就是Runnable的run方法，具体就是ThreadPoolExecutor的runWorker()方法：
代码语言：javascript复制final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
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;
w.completedTasks ;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}上面代码的主要逻辑如下：
- 1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务。
- 2.getTask()方法从阻塞队列中取任务。
- 3.如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。
- 4.执行任务。
- 5.如果getTask结果为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法，销毁线程。
线程回收
线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收，线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用，防止这部分线程被JVM回收，当线程池决定哪些线程需要回收时，只需要将其引用消除即可。
Worker被创建出来后，就会不断地进行轮询，然后获取任务去执行，核心线程可以无限等待获取任务，非核心线程要限时获取任务。当Worker无法获取到任务，也就是获取的任务为空时，循环会结束，Worker会主动消除自身在线程池内的引用。
代码语言：javascript复制private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
decrementWorkerCount();
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
completedTaskCount = w.completedTasks;
workers.remove(w);
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
int c = ctl.get();
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
if (!completedAbruptly) {
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
addWorker(null, false);
}
}事实上，在这个方法中，将线程引用移出线程池就已经结束了线程销毁的部分。但由于引起线程销毁的可能性有很多，线程池还要判断是什么引发了这次销毁，是否要改变线程池的现阶段状态，是否要根据新状态，重新分配线程。
