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前言
在实际工作中，线程是一个我们经常要打交道的角色，它可以帮我们灵活利用资源，提升程序运行效率。但是我们今天不是探讨线程！我们今天来聊聊另一个与线程息息相关的角色：线程池.本篇文章的目的就是全方位的解析线程池的作用，以及jdk中的接口，实现以及原理，另外对于某些重要概念，将从源码的角度探讨。tip：本文较长，建议先码后看。
线程池介绍
首先我们看一段创建线程并且运行的常用代码：
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() -> {
System.out.println("run thread->" + Thread.currentThread().getName());
//to do something, send email, message, io operator, network...
}).start();
}
上面的代码很容易理解，我们为了异步，或者效率考虑，将某些耗时操作放入一个新线程去运行，但是这样的代码却存在这样的问题：
- 创建销毁线程资源消耗； 我们使用线程的目的本是出于效率考虑，可以为了创建这些线程却消耗了额外的
时间，资源，对于线程的销毁同样需要系统资源。 - cpu资源有限，上述代码创建线程过多，造成有的任务不能即时完成，响应时间过长。
- 线程无法管理，无节制地创建线程对于有限的资源来说似乎成了“得不偿失”的一种作用。
手动创建执行线程存在以上问题，而线程池就是用来解决这些问题的。怎么解决呢？我们可以先粗略的定义一下线程池：
线程池是一组已经创建好的，一直在等待任务执行的线程的集合。
因为线程池中线程是已经创建好的，所以对于任务的执行不会消耗掉额外的资源，线程池中线程个数由我们自定义添加，可相对于资源，资源任务做出调整，对于某些任务，如果线程池尚未执行，可手动取消，线程任务变得能够管理！
所以，线程池的作用如下：
- 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
- 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
- 提高线程的可管理性。
jdk线程池详解
上面我们已经知道了线程池的作用，而对于这样一个好用，重要的工具，jdk当然已经为我们提供了实现，这也是本篇文章的重点。
在jdk中，关于线程池的接口，类都定义在juc（java.util.concurrent）包中，这是jdk专门为我们提供用于并发编程的包，当然，本篇文章我们只介绍与线程池有关的接口和类，首先我们看下重点要学习的接口和类：
如图所示，我们将一一讲解这6个类的作用并且分析。
Executor
首先我们需要了解就是Executor接口，它有一个方法，定义如下：
Executor自jdk1.5引入，这个接口只有一个方法execute声明，它的作用以及定义如下：接收一个任务（Runnable）并且执行。注意：同步执行还是异步执行均可！
由它的定义我们就知道，它是一个线程池最基本的作用。但是在实际使用中，我们常常使用的是另外一个功能更多的子类ExecutorService。
ExecutorService
这个接口继承自Executor，它的方法定义就丰富多了，可以关闭，提交Future任务，批量提交任务，获取执行结果等，我们一一讲解下每个方法作用声明：
void shutdown(): “优雅地”关闭线程池，为什么是“优雅地”呢？因为这个线程池在关闭前会先等待线程池中已经有的任务执行完成，一般会配合方法awaitTermination一起使用，调用该方法后，线程池中不能再加入新的任务。List<Runnable> shutdownNow();: “尝试”终止正在执行的线程，返回在正在等待的任务列表，调用这个方法后，会调用正在执行线程的interrupt（）方法，所以如果正在执行的线程如果调用了sleep，join，await等方法，会抛出InterruptedException异常。boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit): 该方法是一个阻塞方法，参数分别为时间和时间单位。这个方法一般配合上面两个方法之后调用。如果先调用shutdown方法，所有任务执行完成返回true，超时返回false，如果先调用的是shutdownNow方法，正在执行的任务全部完成true，超时返回false。boolean isTerminated();： 调用方法1或者2后，如果所有人物全部执行完毕则返回true，也就是说，就算所有任务执行完毕，但是不是先调用1或者2，也会返回false。<T> Future<T> submit(Callable<T> task);: 提交一个能够返回结果的Callable任务，返回任务结果抽象对象是Future，调用Future.get()方法可以阻塞等待获取执行结果，例如：result = exec.submit(aCallable).get();，提交一个任务并且一直阻塞知道该任务执行完成获取到返回结果。<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);： 提交一个Runnable任务，执行成功后调用Future.get()方法返回的是result（这是什么骚操作？）。Future<?> submit(Runnable task);：和6不同的是调用Future.get（）方法返回的是null（这又是什么操作？）。<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks): 提交一组任务，并且返回每个任务执行结果的抽象对象List<Future<T>>，Future作用同上，值得注意的是：
当调用其中任一Future.isDone()(判断任务是否完成，正常，异常终止都算）方法时，必须等到所有任务都完成时才返回true，简单说：全部任务完成才算完成。<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit): 同方法8，多了一个时间参数，不同的是：如果超时，Future.isDone()同样返回true。<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)：这个看名字和上面对比就容易理解了，返回第一个正常完成的任务地执行结果，后面没有完成的任务将被取消。<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit)：同10相比，多了一个超时参数。不同的是：在超时时间内，一个任务都没有完成，将抛出TimeoutException。
到现在，我们已经知道了一个线程池基本的所有方法，知道了每个方法的作用，接下来我们就来看看具体实现，首先我们研究下ExecutorService的具体实现抽象类：AbstractExecutorService。
AbstractExecutorService
AbstractExecutorService是一个抽象类，继承自ExecutorService，它实现了ExecutorService接口的submit, invokeAll, invokeAny方法，主要用于将ExecutorService的公共实现封装，方便子类更加方便使用，接下来我们看看具体实现：
1. submit方法：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
- 判空
- 利用task构建一个Future的子类RunnableFuture，最后返回
- 执行这个任务（execute方法声明在Executor接口中，所以也是交由子类实现)。
execute方法交由子类实现了，这里我们主要分析newTaskFor方法，看它是如何构建Future对象的：
首先，RunnableFuture接口定义如下：
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
void run();
}
他就是Future和Runnable的组合，它的实现是FutureTask：
2. invokeAll方法：
public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException {
if (tasks == null)
throw new NullPointerException();
ArrayList<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(tasks.size());
boolean done = false; // ①
try {
for (Callable<T> t : tasks) { // ②
RunnableFuture<T> f = newTaskFor(t);
futures.add(f);
execute(f);
}
for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++) {
Future<T> f = futures.get(i); // ③
if (!f.isDone()) {
try {
f.get();
} catch (CancellationException ignore) {
} catch (ExecutionException ignore) {
}
}
}
done = true; // ④
return futures;
} finally {
if (!done) // ⑤
for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++)
futures.get(i).cancel(true);
}
}
- 声明一个flag判断所有任务是否全部完成
- 调用newTaskFor方法构建RunnableFuture对象，循环调用
execute方法添加每一个任务。 - 遍历每个任务结果，判断是否执行完成，没有完成调用 get()阻塞方法等待完成。
- 所有任务全部完成，将flag设置成true。
- 出现异常，还有任务没有完成，所有任务取消：
Future.cancel()（实际是调用执行线程的interrupt方法。
上面代码分析和我们一开始讲解ExecutorService的invokeAll一致。
3. invokeAny方法
invokeAny实际调用doInvokeAny:
private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (tasks == null)
throw new NullPointerException();
int ntasks = tasks.size();
if (ntasks == 0)
throw new IllegalArgumentException();
ArrayList<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(ntasks);
ExecutorCompletionService<T> ecs = // ①
new ExecutorCompletionService<T>(this);
try {
ExecutionException ee = null;
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
Iterator<? extends Callable<T>> it = tasks.iterator();
futures.add(ecs.submit(it.next())); // ②
--ntasks;
int active = 1;
for (;;) {
Future<T> f = ecs.poll(); // ③
if (f == null) {
if (ntasks > 0) {
--ntasks;
futures.add(ecs.submit(it.next()));
++active;
}
else if (active == 0)
break;
else if (timed) {
f = ecs.poll(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
if (f == null)
throw new TimeoutException();
nanos = deadline - System.nanoTime();
}
else // ④
f = ecs.take();
}
if (f != null) { // ⑤
--active;
try {
return f.get();
} catch (ExecutionException eex) {
ee = eex;
} catch (RuntimeException rex) {
ee = new ExecutionException(rex);
}
}
}
if (ee == null)
ee = new ExecutionException();
throw ee;
} finally {
for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++) // ⑥
futures.get(i).cancel(true);
}
}
- 声明一个
ExecutorCompletionServiceecs，这个对象实际是一个任务执行结果阻塞队列和线程池的结合，所以它可以加入任务，执行任务，将任务执行结果加入阻塞队列。 - 向ecs添加tasks中的第一个任务并且执行。
- 从ecs的阻塞队列中取出第一个（队头），如果为null（不为null跳到注释⑤），说明一个任务都还没执行完成，继续添加任务。
- 如果所有任务都被添加了，阻塞等待任务的执行结果，知道有任一任务执行完成。
- 如果取到了某个任务的执行结果，直接返回。
- 取消所有还没执行的任务。
上面代码分析和我们一开始讲解ExecutorService的invokeAny一致。 到现在，我们已经分析完了AbstractExecutorService中的公共的方法，接下来就该研究最终的具体实现了：ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService,它是线程池的具体实现：
我们首先分析下构造方法：public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)。corePoolSize：核心线程数，maximumPoolSize：线程池最大允许线程数，workQueue：任务队列，threadFactory：线程创建工厂，handler: 任务拒绝策，keepAliveTime, unit：等待时长，它们的具体作用如下：
提交一个task（Runnable）后（执行execute方法），检查总线程数是否小于corePoolSize，小于等于则使用threadFactory直接创建一个线程执行任务，大于则再次检查线程数量是否等于maximumPoolSize，等于则直接执行handler拒绝策略，小于则判断workQueue是否已经满了，没满则将任务加入等待线程执行，满了则使用threadFactory创建新线程执行队头任务。
通过流程图我们知道每个参数作用，这里值得注意的是，如果我们将某些参数特殊化，则可以得到特殊的线程池：
- corePoolSize=maximuPoolSize，我们可以创建一个线程池线程数量固定的任务。
- maximumPoolSize设置的足够大（Integer.MAX_VALUE），可以无限制的加入任务。
- workQueue设置的足够大，线程池中的数量不会超过corePoolSize，此时maximumPoolSize参数无用。
- corePoolSize=0，线程池一旦空闲（超过时间），线程都将被回收。
- 我们上面知道，如果多余的空闲线程空闲时间超过keepAliveTime*unit，这些线程将被回收。我们可以通过方法
allowCoreThreadTimeOut使这个参数对线程池中所有线程都有效果。 - workQueue一般有三种实现：
- SynchronousQueue，这是一个空队列，不会保存提交的task（添加操作必须等待另外的移除操作）。
- ArrayBlockingQueue，数组实现的丢列，可以指定队列的长度。
- LinkedBlockingQueue, 链表实现的队列，所以理论上可以无限大，也可以指定链表长度。
- 而RejectedExecutionHandler一般由四种实现：
- AbortPolicy, 直接抛出
RejectedExecutionException，这是线程池中的默认实现 - DiscardPolicy，什么都不做
- DiscardOldestPolicy，丢弃workQueue队头任务，加入新任务
- CallerRunsPolicy，直接在调用者的线程执行任务
最后，我们再分析下ThreadPoolExecutor核心方法execute：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get(); // ①
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // ②
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get(); // ③
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // ④
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command)) // ⑤
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0) // ⑥
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false)) // ⑦
reject(command);
}
- 获取线程池中的线程数量
- 线程池中线程数量小于corePoolSize，直接调用addWorker添加新线程执行任务返回。
- 因为多线程的关系，上一步可能调用addWorker失败（其它线程创建了，数以数量已经超过了），重启获取线程数量。
- 向workQueue添加添加任务，如果添加成功，double获取线程数量，添加失败，走到步骤⑦
- double检查后发现线程池已经关闭或者数量超出，回滚已经添加的任务（remove（command））并且执行拒绝策略。
- double检查通过，添加一个新线程。
- 再次添加线程，失败则调用拒绝策略。
好了，到现在jdk中的线程池核心的实现，策略，分析我们已经分析完成了。接下来我我们就来看看关于线程池的另外的一些扩展，也就是图上的剩下的接口和类：
ScheduledExecutorService
ScheduledExecutorService继承自ExecutorService，ExecutorService的分析上面我们已经知道了，我们来看看它扩展了哪些方法：
这个接口作为线程池的定义主要增加了可以定时执行任务（执行一次）和定期执行任务（重复执行），我们来一一简述下每个方法的作用。
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);: 这个方法用于定时执行任务command，延迟的时间为delay*unit，它返回一个ScheduledFuture对象用于获取执行结果或者剩余延时，调用Future.get()方法将阻塞当前线程最后返回null。
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit);：同上，不同的是，调用Future.get()方法将返回执行的结果，而不是null。public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period,TimeUnit unit);: 重复执行任务command，第一次执行时间为initialDelay延迟后，以后的执行时间将在initialDelay + period * n，unit代表时间单位，值得注意的是，如果某次执行出现异常，后面该任务就不会再执行。或者通过返回对象Future手动取消，后面也将不再执行。public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay, TimeUnit unit);: 效果同上，不同点：如果command耗时为 y，则上面的计算公式为initialDelay + period * n + y，也就是说，它的定时时间会加上任务耗时，而上面的方法则是一个固定的频率，不会算上任务执行时间！
这是它扩展的四个方法，其中需要注意的是scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay的细微差别，最后，我们来看下它的实现类：ScheduledThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor类，实现了ScheduledExecutorService接口，上面均已经分析。
它的构造器如下：
看起来比它的父类构造器简洁，主要因为它的任务队列workQueue是默认的（DelayedWorkQueue），并且最大的线程数为最大值。接着我们看下DelayedWorkQueue实现：
它内部使用数组维护了一个二叉树，提高了任务查找时间，而之所以ScheduledThreadPoolExecutor能够实现延时的关键也在于DelayedWorkQueue的take()方法：
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) { // ①
RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && queue[0] != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}
- 工作线程调用take方法获取剩余任务。
- 检查这个任务是否已经到了执行时间。
- 未到执行时间，await等待。
- 自己唤醒，进入循环再次计算时间。
好了，到目前为止jdk中关于线程池的6个核心类已经全部分析完毕了。接下来还有最后一个小问题，我们手动创建线程池参数也太了，不管是ThreadPoolExecutor还是ScheduledThreadPoolExecutor，这对于用户来说似乎并不太友好，当然，jdk已经想到了这个问题，所以，我们最后再介绍一个创建这些线程池的工具类：Executors:
Executors
它的主要工具方法如下：
比起手动创建，它帮我们加了很多默认值，用起来当然就方便多了，比如说newFixedThreadPool
创建一个线程数固定的线程池，其实就是核心线程数等于最大线程数，和我们一开始分析的结果一样。
值得注意的是：为了我们的程序安全可控性考虑，我们应该尽量考虑手动创建线程池，知晓每一个参数的作用，降低不稳定性！
总结
本次，我们首先从代码出发，分析了线程池给我们带来的好处以及直接使用线程的弊端，接着引出了jdk中的已经实现了的线程池。然后重点分析了jdk中关于线程池的六个最重要的接口和类，并且从源码角度讲解了关键点实现，最后，处于方便考虑，我们还知道jdk给我们留了一个创建线程池的工具类，简化了手动创建线程池的步骤。
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