Java并发之ThreadPoolExecutor源码解析（一）

线程池

假设我们编写了一个Servlet应用，当用户通过浏览器发起一个请求到达我们服务器时，传统的Servlet应用一般针对一个用户请求创建一个线程去执行请求，等到请求执行完毕后，再销毁线程。这种设计在用户量几百或者几千的情况下一般不会有什么大问题，但是如果我们的用户量上达几万甚至几十万几百万，频繁的创建、销毁线程，将会给服务器带来巨大的开销，甚至会出现OOM（Out Of Memory）异常。因此，为了节省资源的消耗，提高资源的利用率，引出了线程池化技术。

线程池会维护若干线程，等待任务的到来，避免重复创建、销毁线程造成的消耗，提高任务的响应速度，不需要创建线程就可以立即执行任务，使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控，避免无节制的创建线程，提高系统的稳定性。

当然，线程池也并非十全十美，它也有力不从心的场景，例如：线程池适合生命周期较短的任务，不适合耗时较长的任务；线程池无法设置任务的优先级，也无法单独启动或者终止某个线程。

现在，我们对比一下线程池执行任务和创建线程执行任务的优势。在ThreadTest中，我们声明了一个线程安全的list，并创建10000个线程并发往list添加随机值，最后我们等待所有线程执行完毕，打印程序的执行时间和list的大小。

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Random;

public class ThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Long start = System.currentTimeMillis();
        final Random random = new Random();
        final List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        final List<Thread> threads = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> list.add(random.nextInt()));
            thread.start();
            threads.add(thread);
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println("时间：" + (System.currentTimeMillis() - start));
        System.out.println("大小：" + list.size());
    }
}

　　　　

执行结果：

时间：882
大小：10000

　　

可以看到list的长度为10000，程序执行了882毫秒。

下面，我们用线程池的方式来执行相同的逻辑，我们声明一个线程池executorService，并往线程池中提交10000个任务，每个任务都向list添加一个随机值：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Long start = System.currentTimeMillis();
        final Random random = new Random();
        final List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            executorService.execute(() -> list.add(random.nextInt()));
        }
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
        System.out.println("时间：" + (System.currentTimeMillis() - start));
        System.out.println("大小：" + list.size());
    }
}

　　

执行结果：

时间：52
大小：10000

　　

可以看到线程池的执行时间相比创建线程，大大缩短。

下面，我们就从源码的角度，来剖析线程池的工作原理。ThreadPoolExecutor是java.util.concurrent包下提供的线程池实现类，下图是ThreadPoolExecutor类的继承关系，我们将从上至下逐个分析ThreadPoolExecutor的父类：Executor、ExecutorService、AbstractExecutorService。

Executor

我们先来看下Executor接口定义：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

　　

Executor允许我们提交若干待执行的任务，我们不再像以前一样用new Thread(new RunnableTask()).start()的方式启动一个线程去执行RunnableTask的run()方法，取而代之的是用Executor的实现类去执行，比如：

 Executor executor = anExecutor;
 executor.execute(new RunnableTask1());
 executor.execute(new RunnableTask2());
 ...

　　

Executor提供了一种新的方式，我们只需提交任务，Executor自身负责如何调度线程来执行任务。Executor并不要求任务的执行必须是异步的，也可以在提交完任务后，同步执行任务：

 class DirectExecutor implements Executor {
     public void execute(Runnable r) {
         r.run();
     }
 }

　　

通常情况下，Executor会将提交过来的任务放在另一个线程执行，而不是通过调用线程来执行：

 class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
     public void execute(Runnable r) {
         new Thread(r).start();
     }
 }

　　

一些Executor接口的实现在调度线程执行任务时会添加一些限制，比如我们可以以代理模式的思想来封装Executor：

 class SerialExecutor implements Executor {
   final Queue<Runnable> tasks = new ArrayDeque<Runnable>();
   final Executor executor;
   Runnable active;

   SerialExecutor(Executor executor) { 
     this.executor = executor;
   }

   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) { 
       executor.execute(active);
     }
   }
 }

　　

在创建SerialExecutor对象时，会要求传入一个executor对象，执行任务并不是SerialExecutor对象本身，SerialExecutor并不执行任务，只是将任务缓存到队列tasks，而executor才是真正负责执行任务。

ExecutorService

ExecutorService扩展了Executor，ExecutorService不但具备Executor执行任务的能力，我们还可以关闭ExecutorService，这将使ExecutorService拒绝接受新提交的任务。ExecutorService.submit(...)方法是基于Executor.execute(Runnable command)封装的，execute方法没有任何返回，而submit会返回一个Future对象，通过Future对象我们可以取消任务或者等待任务未来的执行结果。

public interface ExecutorService extends Executor {

    /**
     * 关闭线程池，调用此方法后不再接受新任务，但会处理线程池内
     * 尚未完成的任务，如果线程池已经关闭，再次调用此方法将无事发生。
     * 这个方法不会等待已提交但尚未完成的任务执行完毕，需要调用awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
     * 来等待。
     */
    void shutdown();

    /**
     * 调用此方法会尝试停止所有正在运行的线程，比如：调用Thread.interrupt()
     * 标记线程已中断，如果任务没有响应中断则线程无法停止。这个方法会返回尚未
     * 执行的任务列表，它不会等待正在执行的任务执行完毕，需要调用awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
     * 来等待。
     */
    List<Runnable> shutdownNow();

    /**
     * 判断线程池是否已关闭，true为关闭。
     */
    boolean isShutdown();

    /**
     * 如果调用shutdown()或者shutdownNow()后，所有任务都已完成，则返回true
     */
    boolean isTerminated();

    /**
     * 使当前调用此方法线程陷入阻塞，直到：
     *      1.调用停止线程池方法后，完成所有任务。
     *      2.阻塞超时。
     *      3.调用此方法线程被中断。
     *
     * @param timeout 最大等待时长
     * @param unit    时长单位
     * @return 如果任务都执行完毕返回true，如果超时或中断则返回false
     */
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException;

    /**
     * 提交一个有返回值的任务后，将返回一个Future对象代表任务的运行结果，
     * 可以调用Future.get()获得任务的执行结果，如果提交任务后想立即获得结果，
     * 可以用：result = exec.submit(aCallable).get();这样的方式获得，
     * 调用线程将陷入阻塞，直到线程池执行完任务，执行结果被放入到Future对象。
     *
     * @param task 待执行的任务。
     * @param <T>  任务执行结果的类型。
     * @return 返回Future对象，线程池执行完毕任务后，执行结果会被放入到Future对象。
     */
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    /**
     * 提交一个可执行的任务和给定的执行结果，并返回一个Future对象代表该任务将来的运行结果，
     * 如果任务成功执行，Future对象将返回我们给定的执行结果。
     *
     * @param task   待执行的任务
     * @param result 任务执行完毕后的返回结果
     * @param <T>    返回结果的类型
     * @return 返回Future对象，线程池执行完毕任务后，执行结果会被放入到Future对象。
     */
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    /**
     * 提交待执行的任务并返回Future对象代表该任务未来的运行结果，如果任务执行成功，
     * 调用Future.get()将返回null。
     *
     * @param task 待执行的任务
     * @return 返回Future对象，代表该任务未来的运行结果。
     */
    Future<?> submit(Runnable task);
}

　　

我们可以用ExecutorService来模拟一个网络服务，用Executors.newFixedThreadPool(int)工厂方法生成的线程池中的线程来处理传入的网络请求：

 class NetworkService implements Runnable {
   private final ServerSocket serverSocket;
   private final ExecutorService pool;

   public NetworkService(int port, int poolSize)
       throws IOException {
     serverSocket = new ServerSocket(port);
     pool = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);
   }

   public void run() { // run the service
     try {
       for (;;) {
         pool.execute(new Handler(serverSocket.accept()));
       }
     } catch (IOException ex) {
       pool.shutdown();
     }
   }
 }

 class Handler implements Runnable {
   private final Socket socket;
   Handler(Socket socket) { this.socket = socket; }
   public void run() {
     // read and service request on socket
   }
 }

　　

关闭ExecutorService分两个阶段，首先调用shutdown()拒绝再有新的任务提交，然后在必要的时候调用shutdownNow()，尝试中断正在执行的任务。

 void shutdownAndAwaitTermination(ExecutorService pool) {
   pool.shutdown(); // Disable new tasks from being submitted
   try {
     // Wait a while for existing tasks to terminate
     if (!pool.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
       pool.shutdownNow(); // Cancel currently executing tasks
       // Wait a while for tasks to respond to being cancelled
       if (!pool.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS))
           System.err.println("Pool did not terminate");
     }
   } catch (InterruptedException ie) {
     // (Re-)Cancel if current thread also interrupted
     pool.shutdownNow();
     // Preserve interrupt status
     Thread.currentThread().interrupt();
   }
 }

　　

AbstractExecutorService

AbstractExecutorService是juc（java.util.concurrent）包下提供的ExecutorService接口的默认实现，在newTaskFor方法中返回FutureTask作为RunnableFuture接口的实现。可以看到不论是Runnable还是Callable类型的任务，都会被封装成RunnableFuture类型的任务来执行。

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {

    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);
    }
	
    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;
    }
	
}