怎么理解ThreadPoolExecutor线程池技术

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Java是一门多线程的语言，基本上生产环境的Java项目都离不开多线程。而线程则是其中最重要的系统资源之一，如果这个资源利用得不好，很容易导致程序低效率，甚至是出问题。

有以下场景，有个电话拨打系统，有一堆需要拨打的任务要执行，首先肯定是考虑多线程异步去执行。假如我每执行一个拨打任务都new一个Thread去执行，当同时有1万个任务需要执行的时候，那么就会新建1万个线程，加上线程各种初始销毁等操作，这个消耗是巨大的。而其实往往实现这些功能的时候，并不是完全需要实时马上完成，只是希望在可控范围内尽量提高执行的并发性能。

因此线程池技术应用而生，Java中最常用的线程池技术就是ThreadPoolExecutor。接下来就整体看看ThreadPoolExecutor的实现。 这个类的注解非常多，很多也是重点，所以就不从注解开始看起。先从使用说起，有个概念先。

基本使用

        // 核心线程
        int corePoolSize = 5;
        // 最大线程
        int maximumPoolSize = 10;
        // 线程空闲回收时间
        int keepAliveTime = 30;
        // 线程空闲回调时间单位
        TimeUnit unit = TimeUnit.SECONDS;
        // 队列大小
        int queueSize = 20;
        // 队列
        BlockingQueue workQueue = new ArrayBlockingQueue(queueSize);
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
        executor.execute(() -> {
            // do something 1
        });
        executor.execute(() -> {
            // do something 2
        });

定义好一些必要的参数，构建一个ThreadPoolExecutor对象。然后调用对象的execute()方法即可。 参数说明：

• corePoolSize，线程池保留的最小线程数。如果线程池中的线程少于此数目，则在执行execut()时创建。

• maximumPoolSize，线程池中允许拥有的最大线程数。

• keepAliveTime、unit，当线程闲置时，保持线程存活的时间。

• workQueue，工作队列，存放提交的等待任务，其中有队列大小的限制。

线程管理机制

非常多人误解了corePoolSize、maximumPoolSize、workQueue的相互关系。不少人认为无论队列选择什么，corePoolSize和maximumPoolSize一定是有用，定义一定是生效的，其实并不然啊!

看下线程基本规则注解说明

1. 默认情况下，线程池在初始的时候，线程数为0。当接收到一个任务时，如果线程池中存活的线程数小于corePoolSize核心线程，则新建一个线程。

2. 如果所有运行的核心线程都都在忙，超出核心线程处理的任务，执行器更多地选择把任务放进队列，而不是新建一个线程。

3. 如果一个任务提交不了到队列，在不超出最大线程数量情况下，会新建线程。超出了就会报错。

另外，如果想在线程初始化时候就有核心线程，可以调用prestartCoreThread()或prestartAllCoreThread()，前者是初始一个，后者是初始全部。

再看看排队策略

• 直接提交，用SynchronousQueue。特点是不保存，直接提交给线程，如果没没线程，则新建一个。

• 无限提交，用类似LinkedBlockingQueue无界队列。特点是保存所以核心线程处理不了的任务，队列无上限，最大线程也没用。

• 有限提交，用类似ArrayBlockingQueue有界队列。特点是可以保存超过核心线程的任务，并且队列也是有上限的。超过上限，新建线程（满了抛错）。更好地保护资源，防止崩溃，也是最常用的排队策略。

从以上规则可以看出来，核心线程数和最大线程数，还有队列结构是相互影响的，如何排队，队列多大，最大线程是多少都是不一定的。

再看看保持存活机制

当超过核心线程数的线程，线程池会让该线程保持存活keepAliveTime时间，超过该时间则会销毁该线程。 另外默认对非核心线程有效，若想核心线程也适用于这个机制，可以调用allowCoreThreadTimeOut()方法。这样的话就没有核心线程这一说了。

综合以上，线程池在多次执行任务后，会一直维持部分线程存活，即使它是闲置的。这样的目的是为了减少线程销毁创建的开销，下次有个任务需要执行，直接从池子里拿线程就能用了。但核心线程不能维护太多，因为也需要一定开销。最大的线程数保护了整个系统的稳定性，避免并发量大的时候，把线程挤满。工作队列则是保证了任务顺序和暂存，系统的可靠性。线程存活规则的目的和维护核心线程的目的类似，但降低了它的存活的时间。

另外还有拒绝机制，它提供了一些异常情况下的解决方案。

ctl线程状态控制

这个ctl变量是整个线程池的核心控制状态。

这个ctl代表了两个变量

• workerCount，生效的线程数。基本可以理解为存活的线程，但某个时候有暂时性的差异。

• runState，线程池的运行状态。 其中，ctl（int32位）的低29位代表workerCount，所以最大线程数为(2^29)-1。另外3位表示runState。

runState有以下几种状态：

• RUNNING：接收新任务，处理队列任务。

• SHUTDOWN：不接收新任务，但处理队列任务。

• STOP：不接收新任务，也不处理队列任务，并且中断所有处理中的任务。

• TIDYING：所有任务都被终结，有效线程为0。会触发terminated()方法。

• TERMINATED：当terminated()方法执行结束。

当调用了shutdown()，状态会从RUNNING变成SHUTDOWN，不再接收新任务，此时会处理完队列里面的任务。 如果调用的是shutdownNow()，状态会直接变成STOP。 当线程或者队列都是空的时候，状态就会变成TIDYING。 当terminated()执行完的时候，就会变成TERMINATED。

execute()

带着对上面的规则与机制的认识，现在从就这这个入口开始看看源码，到底整个流程是怎么实现的。

1. 如果少于核心线程在跑，用这个任务尝试创建一个新线程。

2. 如果一个任务成功入队，再次检查下线程池状态看是否需要入队，因为可能在入队过程中，状态发送了变化。如果确认入队且没有存活线程，则新建一个空线程。

3. 如果进不了队，则尝试新建一个线程，如果都失败了。拒绝这个task

对于第二点最后为什么新建一个线程？很容易猜想到，会有一个轮询的机制让下个task出队，直接利用这个空闲线程。

注释基本解释了所有代码，代码也没什么特别的。其中最主要的还是addWoker()这个方法，下面来看看。

addWoker()

先了解下这个方法的整体思路

从描述可知，addwoker失败，会在线程池状态不对、线程满了或者线程工厂创建线程池失败时候发生。 这个方法比较长，分两段看。先看第一段。

retry:这种写法，如果比较少看源码的，应该是前所未见的了。这是个循环的位置标记，是java的语法之一。看回代码，这里面for循环还嵌套里一个for循环，而retry:是标记第一个for循环的，后面break和continue语句都指向到了retry。说明break和continue是都是操作外层的for循环。retry可以是任何变量命名合法的字符。

然后看看外出for循环的if语句

这个if判断想要执行到return false;，队列为空是一个必要条件。因为addWork()不单只接收新任务会调用到，处理队列中的任务也会调用到。而前面提到SHUTDOWN状态下还会处理队列中的任务的，所以队列不为空是会让它继续执行下去的。

对于内层的for循环

会先判断worker的数据是否符合corePoolSize和maximumPoolSize的定义，不满足则返回失败。 然后尝试CAS让workerCount自增，如果CAS失败还是继续自旋去自增，直到成功。除非线程池状态发生了变化，发退回到外层for循环重新执行，判断线程池的状态。

第一段的代码，就是让workerCount在符合条件下自增

第二段代码

这段比较好理解，先创建一个Worker对象，这个Worker里面包含一个由线程工厂创建的线程，和一个需要执行的任务（可以为空）。如果线程创建成功了，那么就加一个重入锁去把这个新建的Worker对象放到workers成员变量中，在加入之前需要重新判断下线程池的状态和新建线程的状态。如果worker添加到workers成员变量中，就启动这个新建的线程。最后如果添加失败，则执行addWorkFailed(w)。

如果失败了，加锁操作回滚下wokers、workerCount，然后判断下状态看看是否需要终结线程池。

addWorker()大概的流程就这样。

对于其他方法，没有什么特别的，在此不再过多的叙述，有兴趣的可以翻翻源码阅读下。 回顾总结下上面的核心要点

1. 当核心线程满且忙碌时，线程池倾向于把提交的任务放进队列，而不是新建线程。

2. 根据选择队列的不同，maximumPoolSize不一定有用的。具体有三种不同的策略。

3. ctl是线程池的核心控制状态，包含的runState线程池运行状态和workCount有效线程数。

4. retry:是一种标记循环的语法，retry可以是任何变量命名合法字符。

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