萬字解讀Java線程池設(shè)計思想及源碼實現(xiàn)
前言
相信大家都看過很多的關(guān)于線程池的文章，基本上也是面試的時候必問的，如果你在看過很多文章以后，還是一知半解的，那希望這篇文章能讓你真正的掌握好Java線程池。
本文一大重點是源碼解析，同時會有少量篇幅介紹線程池設(shè)計思想以及作者Doug Lea實現(xiàn)過程中的一些巧妙用法。本文還是會一行行關(guān)鍵代碼進行分析，目的是為了讓看源碼不是很理解的同學(xué)可以得到參考。
線程池是非常重要的工具，如果你要成為一個好的工程師，還是得比較好地掌握這個知識，很多線上問題都是因為沒有用好線程池導(dǎo)致的。即使你為了謀生，也要知道，這基本上是面試必問的題目，而且面試官很容易從被面試者的回答中捕捉到被面試者的技術(shù)水平。
本文略長，建議在pc上閱讀，邊看文章邊翻源碼（Java7和Java8都一樣），建議想好好看的讀者抽出至少30分鐘的整塊時間來閱讀。當(dāng)然，如果讀者僅為面試準(zhǔn)備，可以直接滑到最后的總結(jié)部分。
總覽
開篇來一些廢話。下圖是 java 線程池幾個相關(guān)類的繼承結(jié)構(gòu)：
先簡單說說這個繼承結(jié)構(gòu)，Executor位于最頂層，也是最簡單的，就一個execute(Runnable runnable) 接口方法定義。
ExecutorService也是接口，在Executor接口的基礎(chǔ)上添加了很多的接口方法，所以一般來說我們會使用這個接口。
再下來一層是AbstractExecutorService，從名字就知道是抽象類，這里實現(xiàn)了非常有用的一些方法供子類直接使用，之后再細說。
然后才到重點部分ThreadPoolExecutor類，這個類提供了關(guān)于線程池所需的非常豐富的功能。
另外，我們還涉及到下圖中的這些類：
同在并發(fā)包中的Executors類，類名中帶字母s，我們猜到這個是工具類，里面的方法都是靜態(tài)方法，如以下我們最常用的用于生成ThreadPoolExecutor的實例的一些方法：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
另外，由于線程池支持獲取線程執(zhí)行的結(jié)果，所以，引入了Future接口，RunnableFuture繼承自此接口，然后我們最需要關(guān)心的就是它的實現(xiàn)類FutureTask。到這里，記住這個概念，在線程池的使用過程中，我們是往線程池提交任務(wù)（task），使用過線程池的都知道，我們提交的每個任務(wù)是實現(xiàn)了Runnable接口的，其實就是先將Runnable的任務(wù)包裝成FutureTask，然后再提交到線程池。這樣，讀者才能比較容易記住FutureTask這個類名：它首先是一個任務(wù)（Task），然后具有Future接口的語義，即可以在將來（Future）得到執(zhí)行的結(jié)果。
當(dāng)然，線程池中的BlockingQueue也是非常重要的概念，如果線程數(shù)達到corePoolSize，我們的每個任務(wù)會提交到等待隊列中，等待線程池中的線程來取任務(wù)并執(zhí)行。這里的BlockingQueue通常我們使用其實現(xiàn)類LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue和SynchronousQueue，每個實現(xiàn)類都有不同的特征，使用場景之后會慢慢分析。想要詳細了解各個BlockingQueue的讀者，可以參考我的前面的一篇對BlockingQueue的各個實現(xiàn)類進行詳細分析的文章。
把事情說完整：除了上面說的這些類外，還有一個很重要的類，就是定時任務(wù)實現(xiàn)類ScheduledThreadPoolExecutor，它繼承自本文要重點講解的ThreadPoolExecutor，用于實現(xiàn)定時執(zhí)行。不過本文不會介紹它的實現(xiàn)，我相信讀者看完本文后可以比較容易地看懂它的源碼。
”
以上就是本文要介紹的知識，廢話不多說，開始進入正文。
Executor 接口
/*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
我們可以看到Executor接口非常簡單，就一個void execute(Runnable command) 方法，代表提交一個任務(wù)。為了讓大家理解 java 線程池的整個設(shè)計方案，我會按照Doug Lea的設(shè)計思路來多說一些相關(guān)的東西。
我們經(jīng)常這樣啟動一個線程：
new Thread(new Runnable(){
// do something
}).start();
用了線程池Executor后就可以像下面這么使用：
Executor executor = anExecutor;
executor.execute(new RunnableTask1());
executor.execute(new RunnableTask2());
如果我們希望線程池同步執(zhí)行每一個任務(wù)，我們可以這么實現(xiàn)這個接口：
class DirectExecutor implements Executor {
public void execute(Runnable r) {
r.run();// 這里不是用的new Thread(r).start()，也就是說沒有啟動任何一個新的線程。
}
}
我們希望每個任務(wù)提交進來后，直接啟動一個新的線程來執(zhí)行這個任務(wù)，我們可以這么實現(xiàn)：
class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
public void execute(Runnable r) {
new Thread(r).start(); // 每個任務(wù)都用一個新的線程來執(zhí)行
}
}
我們再來看下怎么組合兩個Executor來使用，下面這個實現(xiàn)是將所有的任務(wù)都加到一個queue中，然后從queue中取任務(wù)，交給真正的執(zhí)行器執(zhí)行，這里采用synchronized進行并發(fā)控制：
class SerialExecutor implements Executor {
// 任務(wù)隊列
final Queue<Runnable> tasks = new ArrayDeque<Runnable>();
// 這個才是真正的執(zhí)行器
final Executor executor;
// 當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)
Runnable active;
// 初始化的時候，指定執(zhí)行器
SerialExecutor(Executor executor) {
this.executor = executor;
}
// 添加任務(wù)到線程池: 將任務(wù)添加到任務(wù)隊列，scheduleNext 觸發(fā)執(zhí)行器去任務(wù)隊列取任務(wù)
public synchronized void execute(final Runnable r) {
tasks.offer(new Runnable() {
public void run() {
try {
r.run();
} finally {
scheduleNext();
}
}
});
if (active == null) {
scheduleNext();
}
}
protected synchronized void scheduleNext() {
if ((active = tasks.poll()) != null) {
// 具體的執(zhí)行轉(zhuǎn)給真正的執(zhí)行器 executor
executor.execute(active);
}
}
}
當(dāng)然了，Executor這個接口只有提交任務(wù)的功能，太簡單了，我們想要更豐富的功能，比如我們想知道執(zhí)行結(jié)果、我們想知道當(dāng)前線程池有多少個線程活著、已經(jīng)完成了多少任務(wù)等等，這些都是這個接口的不足的地方。接下來我們要介紹的是繼承自Executor接口的ExecutorService接口，這個接口提供了比較豐富的功能，也是我們最常使用到的接口。
ExecutorService
一般我們定義一個線程池的時候，往往都是使用這個接口：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(args...);
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(args...);
因為這個接口中定義的一系列方法大部分情況下已經(jīng)可以滿足我們的需要了。
那么我們簡單初略地來看一下這個接口中都有哪些方法：
public interface ExecutorService extends Executor {
// 關(guān)閉線程池，已提交的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，不接受繼續(xù)提交新任務(wù)
void shutdown();
// 關(guān)閉線程池，嘗試停止正在執(zhí)行的所有任務(wù)，不接受繼續(xù)提交新任務(wù)
// 它和前面的方法相比，加了一個單詞“now”，區(qū)別在于它會去停止當(dāng)前正在進行的任務(wù)
List<Runnable> shutdownNow();
// 線程池是否已關(guān)閉
boolean isShutdown();
// 如果調(diào)用了 shutdown() 或 shutdownNow() 方法后，所有任務(wù)結(jié)束了，那么返回true
// 這個方法必須在調(diào)用shutdown或shutdownNow方法之后調(diào)用才會返回true
boolean isTerminated();
// 等待所有任務(wù)完成，并設(shè)置超時時間
// 我們這么理解，實際應(yīng)用中是，先調(diào)用 shutdown 或 shutdownNow，
// 然后再調(diào)這個方法等待所有的線程真正地完成，返回值意味著有沒有超時
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
// 提交一個 Callable 任務(wù)
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
// 提交一個 Runnable 任務(wù)，第二個參數(shù)將會放到 Future 中，作為返回值，
// 因為 Runnable 的 run 方法本身并不返回任何東西
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
// 提交一個 Runnable 任務(wù)
Future<?> submit(Runnable task);
// 執(zhí)行所有任務(wù)，返回 Future 類型的一個 list
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException;
// 也是執(zhí)行所有任務(wù)，但是這里設(shè)置了超時時間
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
// 只有其中的一個任務(wù)結(jié)束了，就可以返回，返回執(zhí)行完的那個任務(wù)的結(jié)果
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException;
// 同上一個方法，只有其中的一個任務(wù)結(jié)束了，就可以返回，返回執(zhí)行完的那個任務(wù)的結(jié)果，
// 不過這個帶超時，超過指定的時間，拋出 TimeoutException 異常
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
這些方法都很好理解，一個簡單的線程池主要就是這些功能，能提交任務(wù)，能獲取結(jié)果，能關(guān)閉線程池，這也是為什么我們經(jīng)常用這個接口的原因。
FutureTask
在繼續(xù)往下層介紹ExecutorService的實現(xiàn)類之前，我們先來說說相關(guān)的類FutureTask。
Future Runnable
\ /
\ /
RunnableFuture
|
|
FutureTask
FutureTask 通過 RunnableFuture 間接實現(xiàn)了 Runnable 接口，
所以每個 Runnable 通常都先包裝成 FutureTask，
然后調(diào)用 executor.execute(Runnable command) 將其提交給線程池
我們知道，Runnable的void run() 方法是沒有返回值的，所以，通常，如果我們需要的話，會在submit中指定第二個參數(shù)作為返回值：
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
其實到時候會通過這兩個參數(shù)，將其包裝成Callable。它和Runnable的區(qū)別在于run()沒有返回值，而Callable的call()方法有返回值，同時，如果運行出現(xiàn)異常，call()方法會拋出異常。
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
在這里，就不展開說FutureTask類了，因為本文篇幅本來就夠大了，這里我們需要知道怎么用就行了。
下面，我們來看看ExecutorService的抽象實現(xiàn)AbstractExecutorService。
AbstractExecutorService
AbstractExecutorService抽象類派生自ExecutorService接口，然后在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)了幾個實用的方法，這些方法提供給子類進行調(diào)用。
這個抽象類實現(xiàn)了invokeAny方法和invokeAll方法，這里的兩個newTaskFor方法也比較有用，用于將任務(wù)包裝成FutureTask。定義于最上層接口Executor中的void execute(Runnable command)由于不需要獲取結(jié)果，不會進行FutureTask的包裝。
需要獲取結(jié)果（FutureTask），用submit方法，不需要獲取結(jié)果，可以用execute方法。
”
下面，我將一行一行源碼地來分析這個類，跟著源碼來看看其實現(xiàn)吧：
Tips: invokeAny和invokeAll方法占了這整個類的絕大多數(shù)篇幅，讀者可以選擇適當(dāng)跳過，因為它們可能在你的實踐中使用的頻次比較低，而且它們不帶有承前啟后的作用，不用擔(dān)心會漏掉什么導(dǎo)致看不懂后面的代碼。
”
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
// RunnableFuture 是用于獲取執(zhí)行結(jié)果的，我們常用它的子類 FutureTask
// 下面兩個 newTaskFor 方法用于將我們的任務(wù)包裝成 FutureTask 提交到線程池中執(zhí)行
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
return new FutureTask<T>(runnable, value);
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
// 提交任務(wù)
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 1. 將任務(wù)包裝成 FutureTask
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
// 2. 交給執(zhí)行器執(zhí)行，execute 方法由具體的子類來實現(xiàn)
// 前面也說了，F(xiàn)utureTask 間接實現(xiàn)了Runnable 接口。
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 1. 將任務(wù)包裝成 FutureTask
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
// 2. 交給執(zhí)行器執(zhí)行
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 1. 將任務(wù)包裝成 FutureTask
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
// 2. 交給執(zhí)行器執(zhí)行
execute(ftask);
return ftask;
}
// 此方法目的：將 tasks 集合中的任務(wù)提交到線程池執(zhí)行，任意一個線程執(zhí)行完后就可以結(jié)束了
// 第二個參數(shù) timed 代表是否設(shè)置超時機制，超時時間為第三個參數(shù)，
// 如果 timed 為 true，同時超時了還沒有一個線程返回結(jié)果，那么拋出 TimeoutException 異常
private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (tasks == null)
throw new NullPointerException();
// 任務(wù)數(shù)
int ntasks = tasks.size();
if (ntasks == 0)
throw new IllegalArgumentException();
//
List<Future<T>> futures= new ArrayList<Future<T>>(ntasks);
// ExecutorCompletionService 不是一個真正的執(zhí)行器，參數(shù) this 才是真正的執(zhí)行器
// 它對執(zhí)行器進行了包裝，每個任務(wù)結(jié)束后，將結(jié)果保存到內(nèi)部的一個 completionQueue 隊列中
// 這也是為什么這個類的名字里面有個 Completion 的原因吧。
ExecutorCompletionService<T> ecs =
new ExecutorCompletionService<T>(this);
try {
// 用于保存異常信息，此方法如果沒有得到任何有效的結(jié)果，那么我們可以拋出最后得到的一個異常
ExecutionException ee = null;
long lastTime = timed ? System.nanoTime() : 0;
Iterator<? extends Callable<T>> it = tasks.iterator();
// 首先先提交一個任務(wù)，后面的任務(wù)到下面的 for 循環(huán)一個個提交
futures.add(ecs.submit(it.next()));
// 提交了一個任務(wù)，所以任務(wù)數(shù)量減 1
--ntasks;
// 正在執(zhí)行的任務(wù)數(shù)(提交的時候 +1，任務(wù)結(jié)束的時候 -1)
int active = 1;
for (;;) {
// ecs 上面說了，其內(nèi)部有一個 completionQueue 用于保存執(zhí)行完成的結(jié)果
// BlockingQueue 的 poll 方法不阻塞，返回 null 代表隊列為空
Future<T> f = ecs.poll();
// 為 null，說明剛剛提交的第一個線程還沒有執(zhí)行完成
// 在前面先提交一個任務(wù)，加上這里做一次檢查，也是為了提高性能
if (f == null) {
if (ntasks > 0) {
--ntasks;
futures.add(ecs.submit(it.next()));
++active;
}
// 這里是 else if，不是 if。這里說明，沒有任務(wù)了，同時 active 為 0 說明
// 任務(wù)都執(zhí)行完成了。其實我也沒理解為什么這里做一次 break？
// 因為我認(rèn)為 active 為 0 的情況，必然從下面的 f.get() 返回了
// 2018-02-23 感謝讀者 newmicro 的 comment，
// 這里的 active == 0，說明所有的任務(wù)都執(zhí)行失敗，那么這里是 for 循環(huán)出口
else if (active == 0)
break;
// 這里也是 else if。這里說的是，沒有任務(wù)了，但是設(shè)置了超時時間，這里檢測是否超時
else if (timed) {
// 帶等待的 poll 方法
f = ecs.poll(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
// 如果已經(jīng)超時，拋出 TimeoutException 異常，這整個方法就結(jié)束了
if (f == null)
throw new TimeoutException();
long now = System.nanoTime();
nanos -= now - lastTime;
lastTime = now;
}
// 這里是 else。說明，沒有任務(wù)需要提交，但是池中的任務(wù)沒有完成，還沒有超時(如果設(shè)置了超時)
// take() 方法會阻塞，直到有元素返回，說明有任務(wù)結(jié)束了
else
f = ecs.take();
}
/*
* 我感覺上面這一段并不是很好理解，這里簡單說下。
* 1. 首先，這在一個 for 循環(huán)中，我們設(shè)想每一個任務(wù)都沒那么快結(jié)束，
* 那么，每一次都會進到第一個分支，進行提交任務(wù)，直到將所有的任務(wù)都提交了
* 2. 任務(wù)都提交完成后，如果設(shè)置了超時，那么 for 循環(huán)其實進入了“一直檢測是否超時”
這件事情上
* 3. 如果沒有設(shè)置超時機制，那么不必要檢測超時，那就會阻塞在 ecs.take() 方法上，
等待獲取第一個執(zhí)行結(jié)果
* 4. 如果所有的任務(wù)都執(zhí)行失敗，也就是說 future 都返回了，
但是 f.get() 拋出異常，那么從 active == 0 分支出去(感謝 newmicro 提出)
// 當(dāng)然，這個需要看下面的 if 分支。
*/
// 有任務(wù)結(jié)束了
if (f != null) {
--active;
try {
// 返回執(zhí)行結(jié)果，如果有異常，都包裝成 ExecutionException
return f.get();
} catch (ExecutionException eex) {
ee = eex;
} catch (RuntimeException rex) {
ee = new ExecutionException(rex);
}
}
}// 注意看 for 循環(huán)的范圍，一直到這里
if (ee == null)
ee = new ExecutionException();
throw ee;
} finally {
// 方法退出之前，取消其他的任務(wù)
for (Future<T> f : futures)
f.cancel(true);
}
}
public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException {
try {
return doInvokeAny(tasks, false, 0);
} catch (TimeoutException cannotHappen) {
assert false;
return null;
}
}
public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
return doInvokeAny(tasks, true, unit.toNanos(timeout));
}
// 執(zhí)行所有的任務(wù)，返回任務(wù)結(jié)果。
// 先不要看這個方法，我們先想想，其實我們自己提交任務(wù)到線程池，也是想要線程池執(zhí)行所有的任務(wù)
// 只不過，我們是每次 submit 一個任務(wù)，這里以一個集合作為參數(shù)提交
public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException {
if (tasks == null)
throw new NullPointerException();
List<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(tasks.size());
boolean done = false;
try {
// 這個很簡單
for (Callable<T> t : tasks) {
// 包裝成 FutureTask
RunnableFuture<T> f = newTaskFor(t);
futures.add(f);
// 提交任務(wù)
execute(f);
}
for (Future<T> f : futures) {
if (!f.isDone()) {
try {
// 這是一個阻塞方法，直到獲取到值，或拋出了異常
// 這里有個小細節(jié)，其實 get 方法簽名上是會拋出 InterruptedException 的
// 可是這里沒有進行處理，而是拋給外層去了。此異常發(fā)生于還沒執(zhí)行完的任務(wù)被取消了
f.get();
} catch (CancellationException ignore) {
} catch (ExecutionException ignore) {
}
}
}
done = true;
// 這個方法返回，不像其他的場景，返回 List<Future>，其實執(zhí)行結(jié)果還沒出來
// 這個方法返回是真正的返回，任務(wù)都結(jié)束了
return futures;
} finally {
// 為什么要這個？就是上面說的有異常的情況
if (!done)
for (Future<T> f : futures)
f.cancel(true);
}
}
// 帶超時的 invokeAll，我們找不同吧
public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (tasks == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
long nanos = unit.toNanos(timeout);
List<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(tasks.size());
boolean done = false;
try {
for (Callable<T> t : tasks)
futures.add(newTaskFor(t));
long lastTime = System.nanoTime();
Iterator<Future<T>> it = futures.iterator();
// 每提交一個任務(wù)，檢測一次是否超時
while (it.hasNext()) {
execute((Runnable)(it.next()));
long now = System.nanoTime();
nanos -= now - lastTime;
lastTime = now;
// 超時
if (nanos <= 0)
return futures;
}
for (Future<T> f : futures) {
if (!f.isDone()) {
if (nanos <= 0)
return futures;
try {
// 調(diào)用帶超時的 get 方法，這里的參數(shù) nanos 是剩余的時間，
// 因為上面其實已經(jīng)用掉了一些時間了
f.get(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
} catch (CancellationException ignore) {
} catch (ExecutionException ignore) {
} catch (TimeoutException toe) {
return futures;
}
long now = System.nanoTime();
nanos -= now - lastTime;
lastTime = now;
}
}
done = true;
return futures;
} finally {
if (!done)
for (Future<T> f : futures)
f.cancel(true);
}
}
}
到這里，我們發(fā)現(xiàn)，這個抽象類包裝了一些基本的方法，可是像submit、invokeAny、invokeAll等方法，它們都沒有真正開啟線程來執(zhí)行任務(wù)，它們都只是在方法內(nèi)部調(diào)用了execute方法，所以最重要的 execute(Runnable runnable)方法還沒出現(xiàn)，需要等具體執(zhí)行器來實現(xiàn)這個最重要的部分，這里我們要說的就是ThreadPoolExecutor 類了。
鑒于本文的篇幅，我覺得看到這里的讀者應(yīng)該已經(jīng)不多了，大家都習(xí)慣了快餐文化。我寫的每篇文章都力求讓讀者可以通過我的一篇文章而對相關(guān)內(nèi)容有全面的了解，所以篇幅不免長了些。
”
ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor是JDK中的線程池實現(xiàn)，這個類實現(xiàn)了一個線程池需要的各個方法，它實現(xiàn)了任務(wù)提交、線程管理、監(jiān)控等等方法。
我們可以基于它來進行業(yè)務(wù)上的擴展，以實現(xiàn)我們需要的其他功能，比如實現(xiàn)定時任務(wù)的類ScheduledThreadPoolExecutor就繼承自ThreadPoolExecutor。當(dāng)然，這不是本文關(guān)注的重點，下面，還是趕緊進行源碼分析吧。
首先，我們來看看線程池實現(xiàn)中的幾個概念和處理流程。
我們先回顧下提交任務(wù)的幾個方法：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
一個最基本的概念是，submit方法中，參數(shù)是Runnable類型（也有Callable類型），這個參數(shù)不是用于 new Thread(runnable).start()中的，此處的這個參數(shù)不是用于啟動線程的，這里指的是任務(wù)，任務(wù)要做的事情是run()方法里面定義的或Callable中的call()方法里面定義的。
初學(xué)者往往會搞混這個，因為Runnable總是在各個地方出現(xiàn)，經(jīng)常把一個Runnable包到另一個Runnable中。請把它想象成有個Task接口，這個接口里面有一個run()方法。
我們回過神來繼續(xù)往下看，我畫了一個簡單的示意圖來描述線程池中的一些主要的構(gòu)件：
當(dāng)然，上圖沒有考慮隊列是否有界，提交任務(wù)時隊列滿了怎么辦？什么情況下會創(chuàng)建新的線程？提交任務(wù)時線程池滿了怎么辦？空閑線程怎么關(guān)掉？這些問題下面我們會一一解決。
我們經(jīng)常會使用Executors這個工具類來快速構(gòu)造一個線程池，對于初學(xué)者而言，這種工具類是很有用的，開發(fā)者不需要關(guān)注太多的細節(jié)，只要知道自己需要一個線程池，僅僅提供必需的參數(shù)就可以了，其他參數(shù)都采用作者提供的默認(rèn)值。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
這里先不說有什么區(qū)別，它們最終都會導(dǎo)向這個構(gòu)造方法：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 這幾個參數(shù)都是必須要有的
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
基本上，上面的構(gòu)造方法中列出了我們最需要關(guān)心的幾個屬性了，下面逐個介紹下構(gòu)造方法中出現(xiàn)的這幾個屬性：
corePoolSize
核心線程數(shù)，不要摳字眼，反正先記著有這么個屬性就可以了。
”maximumPoolSize
最大線程數(shù)，線程池允許創(chuàng)建的最大線程數(shù)。
”workQueue
任務(wù)隊列，BlockingQueue接口的某個實現(xiàn)（常使用ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue）。
”keepAliveTime
空閑線程的?；顣r間，如果某線程的空閑時間超過這個值都沒有任務(wù)給它做，那么可以被關(guān)閉了。注意這個值并不會對所有線程起作用，如果線程池中的線程數(shù)少于等于核心線程數(shù)corePoolSize，那么這些線程不會因為空閑太長時間而被關(guān)閉，當(dāng)然，也可以通過調(diào)用
”allowCoreThreadTimeOut(true)使核心線程數(shù)內(nèi)的線程也可以被回收。threadFactory
用于生成線程，一般我們可以用默認(rèn)的就可以了。通常，我們可以通過它將我們的線程的名字設(shè)置得比較可讀一些，如Message-Thread-1， Message-Thread-2類似這樣。
”handler：
當(dāng)線程池已經(jīng)滿了，但是又有新的任務(wù)提交的時候，該采取什么策略由這個來指定。有幾種方式可供選擇，像拋出異常、直接拒絕然后返回等，也可以自己實現(xiàn)相應(yīng)的接口實現(xiàn)自己的邏輯，這個之后再說。
”
除了上面幾個屬性外，我們再看看其他重要的屬性。
Doug Lea采用一個32位的整數(shù)來存放線程池的狀態(tài)和當(dāng)前池中的線程數(shù)，其中高3位用于存放線程池狀態(tài)，低29位表示線程數(shù)（即使只有29位，也已經(jīng)不小了，大概5億多，現(xiàn)在還沒有哪個機器能起這么多線程的吧）。我們知道，java語言在整數(shù)編碼上是統(tǒng)一的，都是采用補碼的形式，下面是簡單的移位操作和布爾操作，都是挺簡單的。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 這里 COUNT_BITS 設(shè)置為 29(32-3)，意味著前三位用于存放線程狀態(tài)，后29位用于存放線程數(shù)
// 很多初學(xué)者很喜歡在自己的代碼中寫很多 29 這種數(shù)字，或者某個特殊的字符串，然后分布在各個地方，這是非常糟糕的
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 000 11111111111111111111111111111
// 這里得到的是 29 個 1，也就是說線程池的最大線程數(shù)是 2^29-1=536870911
// 以我們現(xiàn)在計算機的實際情況，這個數(shù)量還是夠用的
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 我們說了，線程池的狀態(tài)存放在高 3 位中
// 運算結(jié)果為 111跟29個0：111 00000000000000000000000000000
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// 將整數(shù) c 的低 29 位修改為 0，就得到了線程池的狀態(tài)
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 將整數(shù) c 的高 3 為修改為 0，就得到了線程池中的線程數(shù)
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
/*
* Bit field accessors that don't require unpacking ctl.
* These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.
*/
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
return c < s;
}
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
return c >= s;
}
private static boolean isRunning(int c) {
return c < SHUTDOWN;
}
上面就是對一個整數(shù)的簡單的位操作，幾個操作方法將會在后面的源碼中一直出現(xiàn)，所以讀者最好把方法名字和其代表的功能記住，看源碼的時候也就不需要來來回回翻了。
在這里，介紹下線程池中的各個狀態(tài)和狀態(tài)變化的轉(zhuǎn)換過程：
RUNNING：這個沒什么好說的，這是最正常的狀態(tài)：接受新的任務(wù)，處理等待隊列中的任務(wù) SHUTDOWN：不接受新的任務(wù)提交，但是會繼續(xù)處理等待隊列中的任務(wù) STOP：不接受新的任務(wù)提交，不再處理等待隊列中的任務(wù)，中斷正在執(zhí)行任務(wù)的線程 TIDYING：所有的任務(wù)都銷毀了，workCount為0。線程池的狀態(tài)在轉(zhuǎn)換為TIDYING狀態(tài)時，會執(zhí)行鉤子方法 terminated() TERMINATED：terminated() 方法結(jié)束后，線程池的狀態(tài)就會變成這個
RUNNING 定義為-1，SHUTDOWN定義為0，其他的都比0大，所以等于0的時候不能提交任務(wù)，大于0的話，連正在執(zhí)行的任務(wù)也需要中斷。
看了這幾種狀態(tài)的介紹，讀者大體也可以猜到十之八九的狀態(tài)轉(zhuǎn)換了，各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程有以下幾種：
RUNNING -> SHUTDOWN：當(dāng)調(diào)用了shutdown()后，會發(fā)生這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換，這也是最重要的 (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP：當(dāng)調(diào)用shutdownNow()后，會發(fā)生這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換，這下要清楚shutDown()和shutDownNow()的區(qū)別了 SHUTDOWN -> TIDYING：當(dāng)任務(wù)隊列和線程池都清空后，會由SHUTDOWN轉(zhuǎn)換為 TIDYING STOP -> TIDYING：當(dāng)任務(wù)隊列清空后，發(fā)生這個轉(zhuǎn)換 TIDYING -> TERMINATED：這個前面說了，當(dāng)terminated()方法結(jié)束后
上面的幾個記住核心的就可以了，尤其第一個和第二個。
另外，我們還要看看一個內(nèi)部類Worker，因為Doug Lea把線程池中的線程包裝成了一個個Worker，翻譯成工人，就是線程池中做任務(wù)的線程。所以到這里，我們知道任務(wù)是Runnable（內(nèi)部變量名叫task或command），線程是Worker。
Worker這里又用到了抽象類AbstractQueuedSynchronizer。題外話，AQS在并發(fā)中真的是到處出現(xiàn)，而且非常容易使用，寫少量的代碼就能實現(xiàn)自己需要的同步方式（對AQS源碼感興趣的讀者請參看我之前寫的幾篇文章）。
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
// 這個是真正的線程，任務(wù)靠你啦
final Thread thread;
// 前面說了，這里的 Runnable 是任務(wù)。為什么叫 firstTask？因為在創(chuàng)建線程的時候，如果同時指定了
// 這個線程起來以后需要執(zhí)行的第一個任務(wù)，那么第一個任務(wù)就是存放在這里的(線程可不止執(zhí)行這一個任務(wù))
// 當(dāng)然了，也可以為 null，這樣線程起來了，自己到任務(wù)隊列（BlockingQueue）中取任務(wù)（getTask 方法）就行了
Runnable firstTask;
// 用于存放此線程完成的任務(wù)數(shù)，注意了，這里用了 volatile，保證可見性
volatile long completedTasks;
// Worker 只有這一個構(gòu)造方法，傳入 firstTask，也可以傳 null
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
// 調(diào)用 ThreadFactory 來創(chuàng)建一個新的線程
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
// 這里調(diào)用了外部類的 runWorker 方法
public void run() {
runWorker(this);
}
...// 其他幾個方法沒什么好看的，就是用 AQS 操作，來獲取這個線程的執(zhí)行權(quán)，用了獨占鎖
}
前面雖然啰嗦，但是簡單。有了上面的這些基礎(chǔ)后，我們終于可以看看ThreadPoolExecutor的execute方法了，前面源碼分析的時候也說了，各種方法都最終依賴于execute方法：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 前面說的那個表示 “線程池狀態(tài)” 和 “線程數(shù)” 的整數(shù)
int c = ctl.get();
// 如果當(dāng)前線程數(shù)少于核心線程數(shù)，那么直接添加一個 worker 來執(zhí)行任務(wù)，
// 創(chuàng)建一個新的線程，并把當(dāng)前任務(wù) command 作為這個線程的第一個任務(wù)(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任務(wù)成功，那么就結(jié)束了。提交任務(wù)嘛，線程池已經(jīng)接受了這個任務(wù)，這個方法也就可以返回了
// 至于執(zhí)行的結(jié)果，到時候會包裝到 FutureTask 中。
// 返回 false 代表線程池不允許提交任務(wù)
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到這里說明，要么當(dāng)前線程數(shù)大于等于核心線程數(shù)，要么剛剛 addWorker 失敗了
// 如果線程池處于 RUNNING 狀態(tài)，把這個任務(wù)添加到任務(wù)隊列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
/* 這里面說的是，如果任務(wù)進入了 workQueue，我們是否需要開啟新的線程
* 因為線程數(shù)在 [0, corePoolSize) 是無條件開啟新的線程
* 如果線程數(shù)已經(jīng)大于等于 corePoolSize，那么將任務(wù)添加到隊列中，然后進到這里
*/
int recheck = ctl.get();
// 如果線程池已不處于 RUNNING 狀態(tài)，那么移除已經(jīng)入隊的這個任務(wù)，并且執(zhí)行拒絕策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果線程池還是 RUNNING 的，并且線程數(shù)為 0，那么開啟新的線程
// 到這里，我們知道了，這塊代碼的真正意圖是：擔(dān)心任務(wù)提交到隊列中了，但是線程都關(guān)閉了
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 如果 workQueue 隊列滿了，那么進入到這個分支
// 以 maximumPoolSize 為界創(chuàng)建新的 worker，
// 如果失敗，說明當(dāng)前線程數(shù)已經(jīng)達到 maximumPoolSize，執(zhí)行拒絕策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
對創(chuàng)建線程的錯誤理解：如果線程數(shù)少于corePoolSize，創(chuàng)建一個線程，如果線程數(shù)在 [corePoolSize, maximumPoolSize] 之間那么可以創(chuàng)建線程或復(fù)用空閑線程，keepAliveTime對這個區(qū)間的線程有效。
從上面的幾個分支，我們就可以看出，上面的這段話是錯誤的。
”
上面這些一時半會也不可能全部消化搞定，我們先繼續(xù)往下吧，到時候再回頭看幾遍。
這個方法非常重要addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 方法，我們看看它是怎么創(chuàng)建新的線程的：
// 第一個參數(shù)是準(zhǔn)備提交給這個線程執(zhí)行的任務(wù)，之前說了，可以為 null
// 第二個參數(shù)為 true 代表使用核心線程數(shù) corePoolSize 作為創(chuàng)建線程的界限，也就說創(chuàng)建這個線程的時候，
// 如果線程池中的線程總數(shù)已經(jīng)達到 corePoolSize，那么不能響應(yīng)這次創(chuàng)建線程的請求
// 如果是 false，代表使用最大線程數(shù) maximumPoolSize 作為界限
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 這個非常不好理解
// 如果線程池已關(guān)閉，并滿足以下條件之一，那么不創(chuàng)建新的 worker：
// 1. 線程池狀態(tài)大于 SHUTDOWN，其實也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
// 2. firstTask != null
// 3. workQueue.isEmpty()
// 簡單分析下：
// 還是狀態(tài)控制的問題，當(dāng)線程池處于 SHUTDOWN 的時候，不允許提交任務(wù)，但是已有的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行
// 當(dāng)狀態(tài)大于 SHUTDOWN 時，不允許提交任務(wù)，且中斷正在執(zhí)行的任務(wù)
// 多說一句：如果線程池處于 SHUTDOWN，但是 firstTask 為 null，且 workQueue 非空，那么是允許創(chuàng)建 worker 的
// 這是因為 SHUTDOWN 的語義：不允許提交新的任務(wù)，但是要把已經(jīng)進入到 workQueue 的任務(wù)執(zhí)行完，所以在滿足條件的基礎(chǔ)上，是允許創(chuàng)建新的 Worker 的
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 如果成功，那么就是所有創(chuàng)建線程前的條件校驗都滿足了，準(zhǔn)備創(chuàng)建線程執(zhí)行任務(wù)了
// 這里失敗的話，說明有其他線程也在嘗試往線程池中創(chuàng)建線程
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 由于有并發(fā)，重新再讀取一下 ctl
c = ctl.get();
// 正常如果是 CAS 失敗的話，進到下一個里層的for循環(huán)就可以了
// 可是如果是因為其他線程的操作，導(dǎo)致線程池的狀態(tài)發(fā)生了變更，如有其他線程關(guān)閉了這個線程池
// 那么需要回到外層的for循環(huán)
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/*
* 到這里，我們認(rèn)為在當(dāng)前這個時刻，可以開始創(chuàng)建線程來執(zhí)行任務(wù)了，
* 因為該校驗的都校驗了，至于以后會發(fā)生什么，那是以后的事，至少當(dāng)前是滿足條件的
*/
// worker 是否已經(jīng)啟動
boolean workerStarted = false;
// 是否已將這個 worker 添加到 workers 這個 HashSet 中
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 把 firstTask 傳給 worker 的構(gòu)造方法
w = new Worker(firstTask);
// 取 worker 中的線程對象，之前說了，Worker的構(gòu)造方法會調(diào)用 ThreadFactory 來創(chuàng)建一個新的線程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 這個是整個線程池的全局鎖，持有這個鎖才能讓下面的操作“順理成章”，
// 因為關(guān)閉一個線程池需要這個鎖，至少我持有鎖的期間，線程池不會被關(guān)閉
mainLock.lock();
try {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 小于 SHUTTDOWN 那就是 RUNNING，這個自不必說，是最正常的情況
// 如果等于 SHUTDOWN，前面說了，不接受新的任務(wù)，但是會繼續(xù)執(zhí)行等待隊列中的任務(wù)
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// worker 里面的 thread 可不能是已經(jīng)啟動的
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
// 加到 workers 這個 HashSet 中
workers.add(w);
int s = workers.size();
// largestPoolSize 用于記錄 workers 中的個數(shù)的最大值
// 因為 workers 是不斷增加減少的，通過這個值可以知道線程池的大小曾經(jīng)達到的最大值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 添加成功的話，啟動這個線程
if (workerAdded) {
// 啟動線程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 如果線程沒有啟動，需要做一些清理工作，如前面 workCount 加了 1，將其減掉
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回線程是否啟動成功
return workerStarted;
}
簡單看下addWorkFailed的處理：
// workers 中刪除掉相應(yīng)的 worker
// workCount 減 1
private void addWorkerFailed(Worker w) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
if (w != null)
workers.remove(w);
decrementWorkerCount();
// rechecks for termination, in case the existence of this worker was holding up termination
tryTerminate();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
回過頭來，繼續(xù)往下走。我們知道，worker中的線程start后，其run方法會調(diào)用runWorker方法：
// Worker 類的 run() 方法
public void run() {
runWorker(this);
}
繼續(xù)往下看runWorker方法：
// 此方法由 worker 線程啟動后調(diào)用，這里用一個 while 循環(huán)來不斷地從等待隊列中獲取任務(wù)并執(zhí)行
// 前面說了，worker 在初始化的時候，可以指定 firstTask，那么第一個任務(wù)也就可以不需要從隊列中獲取
final void runWorker(Worker w) {
//
Thread wt = Thread.currentThread();
// 該線程的第一個任務(wù)(如果有的話)
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循環(huán)調(diào)用 getTask 獲取任務(wù)
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// 如果線程池狀態(tài)大于等于 STOP，那么意味著該線程也要中斷
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 這是一個鉤子方法，留給需要的子類實現(xiàn)
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 到這里終于可以執(zhí)行任務(wù)了
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
// 這里不允許拋出 Throwable，所以轉(zhuǎn)換為 Error
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 也是一個鉤子方法，將 task 和異常作為參數(shù)，留給需要的子類實現(xiàn)
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
// 置空 task，準(zhǔn)備 getTask 獲取下一個任務(wù)
task = null;
// 累加完成的任務(wù)數(shù)
w.completedTasks++;
// 釋放掉 worker 的獨占鎖
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 如果到這里，需要執(zhí)行線程關(guān)閉：
// 1. 說明 getTask 返回 null，也就是說，隊列中已經(jīng)沒有任務(wù)需要執(zhí)行了，執(zhí)行關(guān)閉
// 2. 任務(wù)執(zhí)行過程中發(fā)生了異常
// 第一種情況，已經(jīng)在代碼處理了將 workCount 減 1，這個在 getTask 方法分析中會說
// 第二種情況，workCount 沒有進行處理，所以需要在 processWorkerExit 中處理
// 限于篇幅，我不準(zhǔn)備分析這個方法了，感興趣的讀者請自行分析源碼
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
我們看看getTask()是怎么獲取任務(wù)的，這個方法寫得真的很好，每一行都很簡單，組合起來卻所有的情況都想好了：
// 此方法有三種可能：
// 1. 阻塞直到獲取到任務(wù)返回。我們知道，默認(rèn) corePoolSize 之內(nèi)的線程是不會被回收的，
// 它們會一直等待任務(wù)
// 2. 超時退出。keepAliveTime 起作用的時候，也就是如果這么多時間內(nèi)都沒有任務(wù)，那么應(yīng)該執(zhí)行關(guān)閉
// 3. 如果發(fā)生了以下條件，此方法必須返回 null:
// - 池中有大于 maximumPoolSize 個 workers 存在(通過調(diào)用 setMaximumPoolSize 進行設(shè)置)
// - 線程池處于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面說了，這種不再接受新的任務(wù)
// - 線程池處于 STOP，不僅不接受新的線程，連 workQueue 中的線程也不再執(zhí)行
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 兩種可能
// 1. rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty()
// 2. rs >= STOP
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// CAS 操作，減少工作線程數(shù)
decrementWorkerCount();
return null;
}
boolean timed; // Are workers subject to culling?
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 允許核心線程數(shù)內(nèi)的線程回收，或當(dāng)前線程數(shù)超過了核心線程數(shù)，那么有可能發(fā)生超時關(guān)閉
timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 這里 break，是為了不往下執(zhí)行后一個 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// 兩個 if 一起看：如果當(dāng)前線程數(shù) wc > maximumPoolSize，或者超時，都返回 null
// 那這里的問題來了，wc > maximumPoolSize 的情況，為什么要返回 null？
// 換句話說，返回 null 意味著關(guān)閉線程。
// 那是因為有可能開發(fā)者調(diào)用了 setMaximumPoolSize() 將線程池的 maximumPoolSize 調(diào)小了，那么多余的 Worker 就需要被關(guān)閉
if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed))
break;
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// compareAndDecrementWorkerCount(c) 失敗，線程池中的線程數(shù)發(fā)生了改變
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
// wc <= maximumPoolSize 同時沒有超時
try {
// 到 workQueue 中獲取任務(wù)
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 如果此 worker 發(fā)生了中斷，采取的方案是重試
// 解釋下為什么會發(fā)生中斷，這個讀者要去看 setMaximumPoolSize 方法。
// 如果開發(fā)者將 maximumPoolSize 調(diào)小了，導(dǎo)致其小于當(dāng)前的 workers 數(shù)量，
// 那么意味著超出的部分線程要被關(guān)閉。重新進入 for 循環(huán)，自然會有部分線程會返回 null
timedOut = false;
}
}
}
到這里，基本上也說完了整個流程，讀者這個時候應(yīng)該回到execute(Runnable command)方法，看看各個分支，我把代碼貼過來一下：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 前面說的那個表示 “線程池狀態(tài)” 和 “線程數(shù)” 的整數(shù)
int c = ctl.get();
// 如果當(dāng)前線程數(shù)少于核心線程數(shù)，那么直接添加一個 worker 來執(zhí)行任務(wù)，
// 創(chuàng)建一個新的線程，并把當(dāng)前任務(wù) command 作為這個線程的第一個任務(wù)(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任務(wù)成功，那么就結(jié)束了。提交任務(wù)嘛，線程池已經(jīng)接受了這個任務(wù)，這個方法也就可以返回了
// 至于執(zhí)行的結(jié)果，到時候會包裝到 FutureTask 中。
// 返回 false 代表線程池不允許提交任務(wù)
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到這里說明，要么當(dāng)前線程數(shù)大于等于核心線程數(shù)，要么剛剛 addWorker 失敗了
// 如果線程池處于 RUNNING 狀態(tài)，把這個任務(wù)添加到任務(wù)隊列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
/* 這里面說的是，如果任務(wù)進入了 workQueue，我們是否需要開啟新的線程
* 因為線程數(shù)在 [0, corePoolSize) 是無條件開啟新的線程
* 如果線程數(shù)已經(jīng)大于等于 corePoolSize，那么將任務(wù)添加到隊列中，然后進到這里
*/
int recheck = ctl.get();
// 如果線程池已不處于 RUNNING 狀態(tài)，那么移除已經(jīng)入隊的這個任務(wù)，并且執(zhí)行拒絕策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果線程池還是 RUNNING 的，并且線程數(shù)為 0，那么開啟新的線程
// 到這里，我們知道了，這塊代碼的真正意圖是：擔(dān)心任務(wù)提交到隊列中了，但是線程都關(guān)閉了
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 如果 workQueue 隊列滿了，那么進入到這個分支
// 以 maximumPoolSize 為界創(chuàng)建新的 worker，
// 如果失敗，說明當(dāng)前線程數(shù)已經(jīng)達到 maximumPoolSize，執(zhí)行拒絕策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
上面各個分支中，有兩種情況會調(diào)用reject(command)來處理任務(wù)，因為按照正常的流程，線程池此時不能接受這個任務(wù)，所以需要執(zhí)行我們的拒絕策略。接下來，我們說一說ThreadPoolExecutor中的拒絕策略。
final void reject(Runnable command) {
// 執(zhí)行拒絕策略
handler.rejectedExecution(command, this);
}
此處的handler我們需要在構(gòu)造線程池的時候就傳入這個參數(shù)，它是RejectedExecutionHandler的實例。
RejectedExecutionHandler在ThreadPoolExecutor中有四個已經(jīng)定義好的實現(xiàn)類可供我們直接使用，當(dāng)然，我們也可以實現(xiàn)自己的策略，不過一般也沒有必要。
// 只要線程池沒有被關(guān)閉，那么由提交任務(wù)的線程自己來執(zhí)行這個任務(wù)。
public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public CallerRunsPolicy() { }
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
}
// 不管怎樣，直接拋出 RejectedExecutionException 異常
// 這個是默認(rèn)的策略，如果我們構(gòu)造線程池的時候不傳相應(yīng)的 handler 的話，那就會指定使用這個
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public AbortPolicy() { }
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
}
// 不做任何處理，直接忽略掉這個任務(wù)
public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public DiscardPolicy() { }
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
}
}
// 這個相對霸道一點，如果線程池沒有被關(guān)閉的話，
// 把隊列隊頭的任務(wù)(也就是等待了最長時間的)直接扔掉，然后提交這個任務(wù)到等待隊列中
public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public DiscardOldestPolicy() { }
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
}
到這里，ThreadPoolExecutor的源碼算是分析結(jié)束了。單純從源碼的難易程度來說，ThreadPoolExecutor的源碼還算是比較簡單的，只是需要我們靜下心來好好看看罷了。
Executors
這節(jié)其實也不是分析Executors這個類，因為它僅僅是工具類，它的所有方法都是static的。
生成一個固定大小的線程池：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
最大線程數(shù)設(shè)置為與核心線程數(shù)相等，此時keepAliveTime設(shè)置為0（因為這里它是沒用的，即使不為0，線程池默認(rèn)也不會回收corePoolSize內(nèi)的線程），任務(wù)隊列采用LinkedBlockingQueue，無界隊列。
過程分析：剛開始，每提交一個任務(wù)都創(chuàng)建一個worker，當(dāng)worker的數(shù)量達到nThreads后，不再創(chuàng)建新的線程，而是把任務(wù)提交到LinkedBlockingQueue中，而且之后線程數(shù)始終為nThreads。
生成只有一個線程的固定線程池，這個更簡單，和上面的一樣，只要設(shè)置線程數(shù)為1就可以了：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
生成一個需要的時候就創(chuàng)建新的線程，同時可以復(fù)用之前創(chuàng)建的線程（如果這個線程當(dāng)前沒有任務(wù)）的線程池：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
核心線程數(shù)為0，最大線程數(shù)為Integer.MAX_VALUE，keepAliveTime為60秒，任務(wù)隊列采用SynchronousQueue。
這種線程池對于任務(wù)可以比較快速地完成的情況有比較好的性能。如果線程空閑了60秒都沒有任務(wù)，那么將關(guān)閉此線程并從線程池中移除。所以如果線程池空閑了很長時間也不會有問題，因為隨著所有的線程都會被關(guān)閉，整個線程池不會占用任何的系統(tǒng)資源。
過程分析：把execute方法的主體黏貼過來，讓大家看得明白些。鑒于corePoolSize是0，那么提交任務(wù)的時候，直接將任務(wù)提交到隊列中，由于采用了SynchronousQueue，所以如果是第一個任務(wù)提交的時候，offer方法肯定會返回false，因為此時沒有任何worker對這個任務(wù)進行接收，那么將進入到最后一個分支來創(chuàng)建第一個worker。
之后再提交任務(wù)的話，取決于是否有空閑下來的線程對任務(wù)進行接收，如果有，會進入到第二個if語句塊中，否則就是和第一個任務(wù)一樣，進到最后的else if分支創(chuàng)建新線程。
int c = ctl.get();
// corePoolSize 為 0，所以不會進到這個 if 分支
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// offer 如果有空閑線程剛好可以接收此任務(wù)，那么返回 true，否則返回 false
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);
SynchronousQueue是一個比較特殊的BlockingQueue，其本身不儲存任何元素，它有一個虛擬隊列（或虛擬棧），不管讀操作還是寫操作，如果當(dāng)前隊列中存儲的是與當(dāng)前操作相同模式的線程，那么當(dāng)前操作也進入隊列中等待；如果是相反模式，則配對成功，從當(dāng)前隊列中取隊頭節(jié)點。具體的信息，可以看我的另一篇關(guān)于BlockingQueue的文章。
總結(jié)
本文的總結(jié)部分為準(zhǔn)備面試的讀者而寫，希望能幫到面試者或者沒有足夠的時間看完全文的讀者。
java線程池有哪些關(guān)鍵屬性？
corePoolSize，maximumPoolSize，workQueue，keepAliveTime，rejectedExecutionHandler
corePoolSize到 maximumPoolSize 之間的線程會被回收，當(dāng)然corePoolSize 的線程也可以通過設(shè)置而得到回收（allowCoreThreadTimeOut(true)）。
workQueue用于存放任務(wù)，添加任務(wù)的時候，如果當(dāng)前線程數(shù)超過了corePoolSize，那么往該隊列中插入任務(wù)，線程池中的線程會負(fù)責(zé)到隊列中拉取任務(wù)。
keepAliveTime用于設(shè)置空閑時間，如果線程數(shù)超出了corePoolSize，并且有些線程的空閑時間超過了這個值，會執(zhí)行關(guān)閉這些線程的操作
rejectedExecutionHandler用于處理當(dāng)線程池不能執(zhí)行此任務(wù)時的情況，默認(rèn)有拋出RejectedExecutionException 異常、忽略任務(wù)、使用提交任務(wù)的線程來執(zhí)行此任務(wù)和將隊列中等待最久的任務(wù)刪除，然后提交此任務(wù)這四種策略，默認(rèn)為拋出異常。
”說說線程池中的線程創(chuàng)建時機？
a、如果當(dāng)前線程數(shù)少于 corePoolSize，那么提交任務(wù)的時候創(chuàng)建一個新的線程，并由這個線程執(zhí)行這個任務(wù)；b、如果當(dāng)前線程數(shù)已經(jīng)達到 corePoolSize，那么將提交的任務(wù)添加到隊列中，等待線程池中的線程去隊列中取任務(wù)。c、如果隊列已滿，那么創(chuàng)建新的線程來執(zhí)行任務(wù)，需要保證池中的線程數(shù)不會超過 maximumPoolSize，如果此時線程數(shù)超過了 maximumPoolSize，那么執(zhí)行拒絕策略”
* 注意：如果將隊列設(shè)置為無界隊列，那么線程數(shù)達到corePoolSize后，其實線程數(shù)就不會再增長了。因為后面的任務(wù)直接往隊列塞就行了，此時maximumPoolSize參數(shù)就沒有什么意義。
Executors.newFixedThreadPool(…)和Executors.newCachedThreadPool()構(gòu)造出來的線程池有什么差別？
細說太長，往上滑一點點，在Executors的小節(jié)進行了詳盡的描述。
”任務(wù)執(zhí)行過程中發(fā)生異常怎么處理？
如果某個任務(wù)執(zhí)行出現(xiàn)異常，那么執(zhí)行任務(wù)的線程會被關(guān)閉，而不是繼續(xù)接收其他任務(wù)。然后會啟動一個新的線程來代替它。
”什么時候會執(zhí)行拒絕策略？
a、workers的數(shù)量達到了corePoolSize（任務(wù)此時需要進入任務(wù)隊列），任務(wù)入隊成功，與此同時線程池被關(guān)閉了，而且關(guān)閉線程池并沒有將這個任務(wù)出隊，那么執(zhí)行拒絕策略。這里說的是非常邊界的問題，入隊和關(guān)閉線程池并發(fā)執(zhí)行，讀者仔細看看execute方法是怎么進到第一個reject(command)里面的；b、workers 的數(shù)量大于等于 corePoolSize，將任務(wù)加入到任務(wù)隊列，可是隊列滿了，任務(wù)入隊失敗，那么準(zhǔn)備開啟新的線程，可是線程數(shù)已經(jīng)達到 maximumPoolSize，那么執(zhí)行拒絕策略”
因為本文實在太長了，所以就沒有說執(zhí)行結(jié)果是怎么獲取的，也沒有說關(guān)閉線程池相關(guān)的部分，這個就留給讀者吧。
本文篇幅是有點長，如果讀者發(fā)現(xiàn)什么不對的地方，或者有需要補充的地方，請不吝提出，謝謝。
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