浅谈java线程池（基于jdk1.8）

多线程让程序世界丰富多彩，也让其错综复杂。对于线程的创建和销毁成了一笔不小的开销，为了减少这些开销，出现了线程池。线程池对线程进行管理，对于需要使用多线程的我们来说，只需要把任务丢给线程池就可以了。但当我们把任务丢给线程池的时候，它是如何处理的呢？我们去源码中寻找踪迹。

ThreadPoolExecutor

线程池在JDK中的主要实现类就是这个ThreadPoolExecutor。我们首先看一下他的构造函数

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,//核心线程数 int maximumPoolSize,//最大线程数 long keepAliveTime,//存活时间 TimeUnit unit,//存活时间的单位（秒、毫秒等） BlockingQueue<Runnable> workQueue,//阻塞队列 RejectedExecutionHandler handler) {//拒绝策略 ... } 

构造函数中出现的这几个参数都是线程池的重要指标，我们用几句话把它们串起来，顺便说明他们是如何发挥作用的：
线程池中有两种重要的元素，一是线程，二是阻塞队列。
1、当线程池刚初始化时，线程为0，阻塞队列为空。
2、第一个任务来临时，线程池为它新建一个线程来执行，第二个任务来临时，线程池再为它新建一个线程来执行，直到新建的线程数达到了核心线程数，线程池暂时就不会再新建线程了。
3、新来的任务将会被放到阻塞队列中，随着新任务的不断到来，如果阻塞队列已满，那么线程池将会继续为新来的任务新建线程，直到线程数达到了最大线程数。
4、这时，对与新来的任务，线程池将不会直接接受，而是执行拒绝策略。
5、拒绝策略有很多种，默认的是直接抛出异常。还有其他三种①丢弃当前被拒绝的任务。②丢弃最老的任务，重新尝试接受新任务。③在调用者线程中执行这个任务

下面我们去源码中寻找以上叙述的踪迹

Execute线程池的执行入口

execute方法是执行的入口

public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { //如果此时线程数小于核心线程数，则增加线程处理任务 if (addWorker(command, true))//A return;//增加成功，结束 c = ctl.get(); }//线程数已经不小于核心线程数，进行入队 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); if (! isRunning(recheck) && remove(command))//如果线程池已不再运行，取出任务，执行拒绝策略 reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0)//此刻没有线程，就增加一个线程 addWorker(null, false);//C }//如果我们没能成功入队，那么久增加一个线程，如果失败；说明线程池已关闭或已饱和，执行拒绝策略 else if (!addWorker(command, false))//B reject(command); } 

以上代码清晰可见，基本还原了上述文字叙述的流程。但我们发现当线程数不小于核心线程数时，入队之后，还进行了一些检测操作，就是看当前线程池是否还在运行，如果已经停止运行，那么取出入队的任务，执行拒绝策略。所以拒绝策略不只是线程池饱和之后执行，停止运行也会执行，当然这也是情理之中的事情。addWorker就是增加线程来处理任务，但我们发现这个方法的参数除了Runnable还有一个，是一个boobean值，并且在上面代码中的A处和B处分别调用了true和false，这里有何奥妙？我们来剖开addWorker

增加工作者

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN &&//监测线程池状态 ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); //如果此时有效线程数已经超过bound(核心线程数或最大线程数)，返回false if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //CAS增加worker数量记录，成功则跳出循环 break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl准备重试 if (runStateOf(c) != rs)//如果线程池状态发送变化，从外循环重新开始（进行状态监测） continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } } boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { // Recheck while holding lock. // Back out on ThreadFactory failure or if // shut down before lock acquired. int rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); workers.add(w); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; } 

前期判断

其实我们在上一段代码中就看到了c = ctl.get()这一句代码。这里取出的c是一个int值，高3位表示的是此刻线程池的状态，低29位表示的是此刻线程数。因为这个数会有多个线程对它进行操作，所以将它用AtomicInteger进行了包装，并且提供从这个Int值中取出线程数和线程池状态的方法（一些位操作），源码如下：

 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; } 

从上也可以看到线程池有五种状态。当调用shutdown()、shutdownnow()等方法时，线程池的状态会发生变化，从而影响线程池对与新来任务的策略，这个也在addWorker中有所体现。进入addWorker这个方法首先就是进行线程池状态的检测，如果处于非运行状态，就会返回false。但也有个特殊情况如果
(rs == SHUTDOWN &&firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())这三个条件同时为真的话，将不会返回false。这个条件满足时是什么状态呢？线程池处于SHUTDOWN状态，队列不为空，且调用的是addWorker(null，true/false)。此时基本就是这么个状态：线程池准备关闭了，需要新建一些线程来把队列中的任务处理掉。
看完了这个检测过程，就进入了内for循环，这个for循环中首先判断线程数是否超过了某个值，如果超过，返回false，不再新建线程。可以发现这个值是由addWorker的第二个参数控制的，如果为true，这个值就是corePollSize，如果为false，这个值就是maxinumPoolSize。分别对应了核心线程的新建，和超过核心线程数其他线程的新建。然后CAS改变线程数量记录，如果成功，跳出循环，进行线程的新建。如果不成功，则重试，并且如果线程池状态发生了变化，还需要继续外层循环，重新进行状态检测。两个for循环之后的代码就是进行线程的新建，并且启动这个线程。新建线程的工作是在Worker的构造函数中进行的

线程的新建

 Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } 

可以看到构造函数将自己传给了newThread来新建线程，也就是说Worker类有一个thread成员变量，这个thread又是通过Worker来构造的。而我们启动这个线程的时候调用的就是这个线程的start方法，下面看一下这个线程的执行逻辑，也就是worker的run方法

任务的执行

public void run() { runWorker(this); } 

run方法就是调用了runWorker方法，我们再进入runWorker

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); } } 

这个方法主体是一个while循环，首先处理firstTask，处理完之后就去队列里getTask（）。处理的过程很简单，就是调用task的run方法（此刻的run方法调用才是对任务的处理）。getTask我们可以稍微看一下

任务的获取

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?//判断线程是否需要回收 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; } } } 

如果线程不需要回收的话，他会去take任务，take方法如果取不到任务就会一直阻塞，取到就执行，因此这个线程就不会终结。但如果线程需要回收，那么线程会去poll任务，阻塞时间一旦超过了keepAliveTime，poll就会返回null，从而线程也就不会继续这个“取任务并执行任务”的循环，实现线程的回收。

各种线程池

JDK提供了一个工具类Executors来让我们方便的创建各种线程池。
1、newFixedThreadPool
这个线程池中线程的数量是一定的，队列无限长，不能及时处理的任务在队列中等待。

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

2、newWorkStealingPool
这个线程池是一个支持并行任务处理的线程池，传入的参数就是我们目标的并行度，为了减少争用，内部可能出现多个队列，实际的线程数也会动态的增加和减少，任务的先后执行顺序并不是一定的。

public static ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism) { return new ForkJoinPool (parallelism, ForkJoinPool.defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, true); } 

3、newSingleThreadExecutor
这个线程池中只会有一个线程和一个无界队列。可以保证任务的执行顺序，并且任何一个时刻只有一个任务在执行。

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

4、newCachedThreadPool
这个线程池只会在需要的时候创建线程，每个线程如果空闲时间超过60秒就会被回收。对线程的数量没有限制，有内存溢出的风险。但长时间不适用的话它将是耗费资源最小的线程池，因为所有的线程都会被回收。

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

5、newScheduledThreadPool
这个线程池可以用来周期性的执行一些任务

 public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) { return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize); }