详解Java线程池和Executor原理的分析
详解Java线程池和Executor原理的分析
线程池作用与基本知识
在开始之前，我们先来讨论下“线程池”这个概念。“线程池”，顾名思义就是一个线程缓存。它是一个或者多个线程的集合，用户可以把需要执行的任务简单地扔给线程池，而不用过多的纠结与执行的细节。那么线程池有哪些作用？或者说与直接用Thread相比，有什么优势？我简单总结了以下几点：
减小线程创建和销毁带来的消耗
对于JavaThread的实现，我在前面的一篇blog中进行了分析。JavaThread与内核线程是1:1（Linux）的，再加上Thread在Java层与C++层都有不少成员数据，所以JavaThread其实是比较重的。创建和销毁一个JavaThread需要OS和JVM都做不少工作，因此如果将JavaThread缓存起来，可以实现一定的效率提升。
更加方便和透明的实现计算资源控制
讨论这一条，可能需要举一些例子。以非常闻名的web服务器Nginx为例，Nginx以强大的并发能力和低资源消耗而著称。Nginx为了实现这些严格的要求，它严格地限定了工作线程的数目（worker线程一般等于CPU数目）。这种设计的着眼点就是降低线程切换带来的性能损失，这条优化方式对Java同样适用。倘若，每来一个任务就新建一个Thread来运算，那最终的结果就是程序资源难以控制（某个功能把CPU跑满了），而且整体的执行速度也比较慢。而Java线程池提供了FixedThreadPool，你可以使用它实现线程最大数目的控制。
上面说了这么多的“废话”，还是来结合Java线程池的实现来分析一下吧！Java的线程池有一下几种实现：
cachedThreadPool
缓存线程池的特点是它会缓存之前的线程，新提交的任务可以运行在缓存的线程中，即实现了前文所述的第一个优势。
fixedThreadPool
cachedThreadPool的一个特点是——新提交的任务没有空闲线程可以执行了，就会创建一个新的线程。而fixedThreadPool不会这样，它会将任务保存起来，等到有空闲线程再执行。即实现了前文所述的第二个优势。
scheduledThreadPool
scheduledThreadPool的特点是可以实现任务的调度，比如任务的延迟执行和周期执行。
出了上面三种，Java还实现了newWorkStealingPool，这个是基于Fork/Join框架的。目前我还没研究这个，所以就先不管它了。Java的并发支持中，使用了Executor来包装各种线程池，“执行器”这个名称其实挺贴切的，线程池可不就是个执行器嘛！
1.cachedThreadPool、fixedThreadPool的实现
从前文的描述就可以看出，这两种线程池非常类似。的确是这样，事实上它们是同时实现的，不行我们来看实际例子：
ThreadPoolExecutorexecutor1=(ThreadPoolExecutor)Executors.newCachedThreadPool();
ThreadPoolExecutorexecutor2=(ThreadPoolExecutor)Executors.newFixedThreadPool(4);
这是两种线程池的新建方法，看起来很像吧！如果你不这么认为，我只能让你看看真相了。
publicstaticExecutorServicenewCachedThreadPool(){
returnnewThreadPoolExecutor(0,Integer.MAX_VALUE,
60L,TimeUnit.SECONDS,
newSynchronousQueue());
}
publicstaticExecutorServicenewFixedThreadPool(intnThreads){
returnnewThreadPoolExecutor(nThreads,nThreads,
0L,TimeUnit.MILLISECONDS,
newLinkedBlockingQueue());
}
是的，它们调用了同一个构造函数，只是参数略有不同。那么我们来看看这些参数的含义，以及两组参数的区别。首先还是需要贴一下ThreadPoolExecutor的构造函数了。
publicThreadPoolExecutor(intcorePoolSize, intmaximumPoolSize, longkeepAliveTime, TimeUnitunit, BlockingQueueworkQueue){ this(corePoolSize,maximumPoolSize,keepAliveTime,unit,workQueue, Executors.defaultThreadFactory(),defaultHandler); }
为了看起来清爽，再一层的构造函数我就不贴了，而且那个构造函数也只是简单的赋值而已。这里的函数原型已经能给我们很多很多信息了，不得不说JDK的代码命名确实好，简直就像注释一样。
maximumPoolSize就是线程池的最大线程数；对于cachedThreadPool来说，这个值是Integer.MAX_VALUE，基本相当于无穷大了，什么样的机器能跑几十亿线程！！对于fixedThreadPool来讲，这个值就是用户设定的线程池的数目。
keepAliveTime和unit决定了线程的缓存过期时间；对于cachedThreadPool来讲，线程的缓存过期时间是一分钟，换言之，一个工作线程如果一分钟都无事可干，就把它撤销掉以节省资源。fixedThreadPool传入的时间是0，这里的含义是fixedThreadPool中的工作线程是永远不过期的。
corePoolSize是线程池的最小线程数；对于cachedThreadPool，这个值为0，因为在完全没有任务的情况下，cachedThreadPool的确会成为“光杆司令”。至于fixedThreadPool，这个fixed已经表明corePoolSize是等于线程总数的。
接下来，我们根据一个简单的使用例子，来看看一下cachedThreadPool的流程。
publicclassTaskimplementsCallable{ privateStringname; publicTask(Stringname){ this.name=name; } @Override publicStringcall()throwsException{ System.out.printf("%s:Startingat:%s\n",this.name,newDate()); return"hello,world"; } publicstaticvoidmain(String[]args){ ThreadPoolExecutorexecutor=(ThreadPoolExecutor)Executors.newCachedThreadPool(); Tasktask=newTask("test"); Future result=executor.submit(task); try{ System.out.printf("%s\n",result.get()); }catch(InterruptedException|ExecutionExceptione){ e.printStackTrace(); } executor.shutdown(); System.out.printf("Mainendsat:%s\n",newDate()); } }
首先，来看看executor.submit(task)，这其实调用了ThreadPoolExecutor.execute(Runnablecommand)方法，这个方法的代码如下，整段代码的逻辑是这样的。首先检查线程池的线程数是否不够corePoolSize，如果不够就直接新建线程并把command添加进去；如果线程数已经够了或者添加失败（多个线程增加添加的情况），就尝试把command添加到队列中（workQueue.offer(command)），如果添加失败了，就reject掉cmd。大体的逻辑是这样的，这段代码有很多基于线程安全的设计，这里为了不跑题，就先忽略细节了。
publicvoidexecute(Runnablecommand){
if(command==null)
thrownewNullPointerException();
intc=ctl.get();
if(workerCountOf(c)
到这里，看起来线程池实现的整体思路其实也没多么复杂。但是还有一个问题——一个普通的Thread在执行完自己的run方法后会自动退出。那么线程池是如何实现Worker线程不断的干活，甚至在没有任务的时候。其实答案很简单，就是Worker其实在跑大循环，Worker实际运行方法如下：
finalvoidrunWorker(Workerw){
Threadwt=Thread.currentThread();
Runnabletask=w.firstTask;
w.firstTask=null;
w.unlock();//allowinterrupts
booleancompletedAbruptly=true;
try{
while(task!=null||(task=getTask())!=null){
w.lock();
/***/
try{
beforeExecute(wt,task);
Throwablethrown=null;
try{
task.run();
/***/
}finally{
afterExecute(task,thrown);
}
}finally{
task=null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly=false;
}finally{
processWorkerExit(w,completedAbruptly);
}
}
关键就在这个while的判断条件，对于需要cached线程的情况下，getTask()会阻塞起来，如果缓存的时间过期，就会返回一个null，然后Worker就退出了，也就结束了它的服役周期。而在有任务的情况下，Woker会把task拿出来，然后调用task.run()执行任务，并通过Future通知客户线程（即future.get()返回）。这样一个简单的线程池使用过程就完了。。。
当然，线程池的很多精髓知识——基于线程安全的设计，我都没有分析。有兴趣可以自己分析一下，也可以和我讨论。此外ScheduledThreadPool这里也没有分析，它的要点其实是调度，主要是根据时间最小堆来驱动的。
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