Java 執行緒池框架核心程式碼分析

多執行緒程式設計中，為每個任務分配一個執行緒是不切實際的，執行緒所建立的開銷和資源消耗都是很高的。線程池應運而生，成為我們管理線程的利器。 Java 透過Executor接口，提供了一種標準的方法將任務的提交過程和執行過程解耦開來，並用Runnable表示任務。

下面，我們來分析一下 Java 執行緒池框架的實作ThreadPoolExecutor。

下面的分析是基於JDK1.7

生命週期

ThreadPoolExecutor中，使用CAPACITY的高3位來表示運行狀態，分別是：

RUNNING：接收新任務，並且處理任務隊列中的任務隊列中的任務不接收新任務，但處理任務佇列的任務 
STOP：不接收新任務，不出來任務佇列，同時中斷所有進行中的任務 
TIDYING：所有任務已經被終止，工作執行緒數量為0，到達該狀態會執行terminated() 
TERMINATED：terminated()執行完畢 

ThreadPoolExecutor中用原子類別來表示狀態位元

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

，則值為0） 

maximumPoolSize：最大的執行緒數量，受限於CAPACITY 

keepAliveTime：對應執行緒的存活時間，時間單位由TimeUnit指定 

workQueue：工作佇列，儲存待執行的任務線程池滿後會觸發 

線程池的最大容量：CAPACITY中的前三位用作標誌位，也就是說工作線程的最大容量為(2^29)-1

四種型號

CachedThreadPool：一個可快取的線程池，如果線程池的當前規模超過了處理需求時，那麼將回收空閒的線程，當需求增加時，則可以添加新的線程，線程池的規模不存在任何的限制。 
FixedThreadPool：一個固定大小的執行緒池，提交一個任務時就會建立一個線程，直到達到執行緒池的最大數量，此時執行緒池的大小將不再改變。 
SingleThreadPool：一個單一執行緒的執行緒池，它只有一個工作執行緒來執行任務，可以確保按照任務在佇列中的順序來串列執行，如果這個執行緒異常結束會建立一個新的執行緒來執行任務。 
ScheduledThreadPool：固定大小的執行緒池，並且以延遲或定時的方式來執行任務，類似於Timer。當狀態是否處於RUNNING 

如果否，則拒絕該任務 

如果是，判斷目前執行緒數量是否為0，如果為0，就增加一個工作執行緒。

開啟普通執行緒執行任務addWorker(command, false)，開啟失敗就拒絕該任務 

從上面的分析可以總結出執行緒池運作的四個階段：

poolSize < corePoolSize 且佇列為空，此時會新建執行緒來處理提交的任務 
poolSize == corePoolSize，此時提交的任務進入工作隊列，工作執行緒從佇列中取得任務執行，此時佇列不為空且未滿。
poolSize == corePoolSize，且佇列已滿，此時也會新建執行緒來處理提交的任務，但是poolSize < maxPoolSize 

poolSize == maxPoolSize，並且佇列已滿，此時會觸發拒絕策略 

拒絕策略

我們提到任務無法執行會被拒絕，RejectedExecutionHandler是處理被拒絕任務的介面。以下是四種拒絕策略。

AbortPolicy：預設策略，終止任務，拋出RejectedException 
CallerRunsPolicy：在呼叫者執行目前任務，不拋棄異常 
DiscardPolicy：丟棄策略，直接丟棄任務，不丟棄目前任務，不拋異常

執行緒池中的Worker

Worker繼承了AbstractQueuedSynchronizer和Runnable，前者給Worker提供鎖的功能，後者執行工作執行緒的主要方法runWorker(Workerker w)（從任務佇列任務執行）。 Worker 引用存在workers集合裡面，用mainLock守護。

private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

核心函數 runWorker

下面是簡化的邏輯，注意：每個工作執行緒的run都執行下面的函數

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
        w.lock();
        beforeExecute(wt, task);        
        task.run();
        afterExecute(task, thrown);
        w.unlock();
    }
    processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}

从getTask()中获取任务
锁住 worker
执行beforeExecute(wt, task)，这是ThreadPoolExecutor提供给子类的扩展方法
运行任务，如果该worker有配置了首次任务，则先执行首次任务且只执行一次。
执行afterExecute(task, thrown);
解锁 worker
如果获取到的任务为 null，关闭 worker
获取任务 getTask

线程池内部的任务队列是一个阻塞队列，具体实现在构造时传入。

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

getTask()从任务队列中获取任务，支持阻塞和超时等待任务，四种情况会导致返回null，让worker关闭。

现有的线程数量超过最大线程数量
线程池处于STOP状态
线程池处于SHUTDOWN状态且工作队列为空
线程等待任务超时，且线程数量超过保留线程数量
核心逻辑：根据timed在阻塞队列上超时等待或者阻塞等待任务，等待任务超时会导致工作线程被关闭。

timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;Runnable r = timed ?
    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
    workQueue.take();

在以下两种情况下等待任务会超时：

允许核心线程等待超时，即allowCoreThreadTimeOut(true) 
当前线程是普通线程，此时wc > corePoolSize 
工作队列使用的是BlockingQueue，这里就不展开了，后面再写一篇详细的分析。

总结

ThreadPoolExecutor基于生产者-消费者模式，提交任务的操作相当于生产者，执行任务的线程相当于消费者。 
Executors提供了四种基于ThreadPoolExecutor构造线程池模型的方法，除此之外，我们还可以直接继承ThreadPoolExecutor，重写beforeExecute和afterExecute方法来定制线程池任务执行过程。 
使用有界队列还是无界队列需要根据具体情况考虑，工作队列的大小和线程的数量也是需要好好考虑的。 
拒绝策略推荐使用CallerRunsPolicy，该策略不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是将任务回退到调用者线程中执行。