java线程池系列(1)-ThreadPoolExecutor实现原理

前言

做java开发的，一般都避免不了要面对java线程池技术，像tomcat之类的容器天然就支持多线程。

即使是做偏后端技术，如处理一些消息，执行一些计算任务，也经常需要用到线程池技术。

鉴于线程池技术的重要性，接下来会分多篇介绍java中提供的ThreadPoolExecutor线程池实现的底层机制。只有对机制了然于胸，才能更好驾驭这把利器。

线程池技术演示流程

关键概念：
如果说怎么最容易了解线程池的实现原理，那就是一步一步动态的演示。为了便于理解，这里先介绍几个线程池用到的概念。

ThreadPoolExecutor： 这是线程池实现类，会动态创建多个线程，并发执行提交的多个任务；

Worker： 是个Runnable实现类来的，内部会创建一个线程，一直循环不断执行任务，所以可以认为一个Worker就是一个工作线程;

corePoolSize： 当池中总线程数<corePoolSize时，提交一个任务创建一个新线程，而不管已经存在的线程是不是闲着，通常情况下，一旦线程数达
到了corePoolSize，那么池中总线程数是不会跌破到corePoolSize以下的。(除非 allowCoreThreadTimeOut=true并且keepAliveTime>0)；

maximumPoolSize：
当池中线程数达到了corePoolSize，这时候新提交的任务就会放入等待队列中，一般情况下，这些任务会被前面创建的
corePoolSize个线程执行。当任务提交速度过快，队列满了，这时候，如果当前总线程数<maximumPoolSize，那么线程池会创建一个新的线程来执行新提交的任务，否则根据策略放弃任务；

keepAliveTime：存活时间，分两种情况：

(1)allowCoreThreadTimeOut=true，所有线程，一旦创建后，在keepAliveTime时间内，如果没有任务可以执行，则该线程会退出并销毁，这样的好处是系统不忙时可以回收线程资源；(2)allowCoreThreadTimeOut=false，如果总线程数<=corePoolSize，那么这些线程是不会退出的，他们会一直不断的等待任务并执行，哪怕当前没有任务，

但如果线程数>corePoolSize，而且一旦一个线程闲的时间超过
keepAliveTime则会退出，但一旦降低到corePoolSize，则不会再退出了。
allowCoreThreadTimeOut： 用于决定是否在系统闲时可以逐步回收所有的线程，如果为allowCoreThreadTimeOut=true,必须结合keepAliveTime一起使用，用于决定当线程数<corePoolSize时，是否要回收这些线程。

workQueue：这是一个阻塞队列，当线程数>=corePoolSize，这时候提交的任务将会放入阻塞队列中，如果阻塞队列是无界的，那么总的线程数是不可能>corePoolSize的，即maximumPoolSize属性就是无用的；如果阻塞队列是有界的，而且未满，则任务入队，否则根据maximumPoolSize的值判断是要新建线程执行新任务或者是根据策略丢弃任务。

有了以上的概念，接下来将根据 allowCoreThreadTimeOut的值分两种场景进行演示说明。

演示一： allowCoreThreadTimeOut=true

1、 初值设定： corePoolSize=2； maximumPoolSize=3；keepAliveTime=10s； workQueue容量为2； 初始状态图如下所示：

2、submit一个任务A，由于总线程数0<corePoolSize； 此时会创建一个线程执行任务A，状态图如下：

3、submit一个任务B，由于总线程数1<corePoolSize，此时会创建一个线程执行任务B，状态图如下：

4、submit一个任务C，由于总线程数 2=corePoolSize，workQueue不满，这时候任务C入队列，状态图如下：

5、submit一个任务D，很明显，任务D入队列，状态图如下：

6、submit一个任务E，这时候，线程数2=corePoolSize，workQueue也已经满了，判断发现线程数2<maximumPoolSize，所以继续创建线程执行任务E，状态图如下：

7、submit一个任务F，这时候，2=corePoolSize，workQueue已满，判断发现线程数3=maximumPoolSize，这种情况下，

线程池会根据策略来决定是否要放弃当前任务，或者是把workQueue中一个任务删除，然后入队新的任务，也可以自定义策略，

比如，持久化到DB之类的，或者是发出警报。我们假设是直接丢弃策略，这时候状态图不变。

8、这会没有新任务到来了，各个任务陆续执行完了，包括队列中的C和D也执行完了，这时候，由于当前场景为allowCoreThreadTimeOut=true，

如果在等待keepAliveTime时间后线程仍旧无法获取新的任务，线程将会自行退出，这将导致最终所有线程都退出了，也就是又再次回到了原始状态，如下图所示：

说得更简单一些就是：在 allowCoreThreadTimeOut=true时，如果一个线程等了keepAliveTime还无法获取新任务，则退出。

演示二：allowCoreThreadTimeOut=false

1~7 的步骤与状态跟“演示一”是一样的，所以这里不再赘述，这时候状态图如下：

8、这会没有新任务到来了，各个任务陆续执行完了，包括队列中的C和D也执行完了，这时候，由于当前场景为allowCoreThreadTimeOut=false，并且线程数3>corePoolSize，这时候每个线程都感知到线程数过多，所以它们都会尝试把自己停止掉，实现中最终只会停止一个线程，剩余线程数2=corePoolSize，接下来，哪怕一直没有新任务来，这corePoolSize个线程也不会退出，一直存活着等待接收任务。这时候，状态图如下：

线程池的状态

前一部分演示了线程池的基本实现原理，这一小节介绍一下线程池的状态，线程池概括上讲有5种状态，如下图所示：

RUNNING状态：
创建线程池的时候，线程池的初始状态为 RUNNING，接着就可以提交任务执行了。

SHUTDOWN状态：
当在RUNNING状态调用shutdown()时，线程池状态会被改为SHUTDOWN，这时候，submit任务的时候，会被拒绝，可以使用多种拒绝策略，
比如最简单就是直接丢弃任务。至于正在执行中的线程，会继续执行，同时会把阻塞队列中的任务也一并执行完毕，等到全部任务执行完毕，线程池会进入
TIDYING状态，等执行钩子方法terminated()之后，就会进入最终状态TERMINATED，这时候，整个线程池完全终止。

STOP状态：
当在RUNNING状态调用shutdownNow()时，线程池状态会被改为STOP，这时候，submit任务会被拒绝，那么如果有任务执行到一半，该怎么处理？其实，执行shutdownNow()时，会中断各个工作线程，所以任务会如何执行要看任务做的是什么事情，有没有处理中断异常。而阻塞队列如何有任务，这些任务将不会再执行，shutdownNow()执行后，将会返回阻塞队列中的未执行的任务列表。

TIDYING状态：
TIDYING只是一个过渡状态，当所有工作线程都停止后，线程池的状态会进入TIDYING，然后执行一个钩子方法terminated()，最后线程池会进入TERMINATED状态。

TERMINATED状态：
线程池终止状态，这个没什么可说的了，大家都明白。

总结

理解线程池最主要是要理解线程池几个主要的配置参数，如果不看实现细节，原理还是比较简单的。在了解原理的基础上再去看代码，就会事半功倍。