Java中的线程ThreadPoolExecutor
Java线程池是运用场景最多的并发框架，合理使用线程池的好处：
1、降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低创建和销毁造成的消耗；
2、提高相应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行；
3、提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统能够的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
线程池的实现原理
流程如下：
1、线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，创建一个新的线程来执行任务，如果是，则进行下一步
2、线程池判断工作队列是否已经满了，如果没有满，则将提交新任务存储在工作队列中，如果满了，则进入下一个流程。
3、线程池判断线程池的线程是否都已经处于工作状态，如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务，如果满了，则交给饱和策略来处理这个任务。
ThreadPoolExecutor中的参数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
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;
}
corePoolSize:线程池中的核心线程数，当提交一个任务时，线程池创建一个新线程执行，直到当前的线程数等于corePoolSize；如果
执行了线程池的prestartAllCoreTheads()方法，线程池会提前创建并启动所有的核心线程。
maximumPoolSize：线程池中允许的最大的线程数，如果当前阻塞队列满了，且继续提交任务，则创建新的执行任务，前提是当前线程数小于maximumPoolSize
keepAliveTime:
线程空闲时的存活时间，即当线程没有任务执行时，继续存活的时间。默认情况下，该参数只在线程数大于corePoolSize时才有用
workQueue: workQueue必须是BlockingQueue阻塞队列。当线程池中的线程数超过它的corePoolSize的时候，线程会进入阻塞队列进行阻塞等待。通过workQueue，线程池实现了阻塞功能
几种排队的策略：
（1）不排队，直接提交
将任务直接交给线程处理而不保持它们，可使用SynchronousQueue
如果不存在可用于立即运行任务的线程（即线程池中的线程都在工作），则试图把任务加入缓冲队列将会失败，因此会构造一个新的线程来处理新添加的任务，并将其加入到线程池中（corePoolSize–>maximumPoolSize扩容）
Executors.newCachedThreadPool()采用的便是这种策略
（2）无界队列
可以使用LinkedBlockingQueue（基于链表的有界队列，FIFO），理论上是该队列可以对无限多的任务排队
将导致在所有corePoolSize线程都工作的情况下将新任务加入到队列中。这样，创建的线程就不会超过corePoolSize，也因此，maximumPoolSize的值也就无效了
（3）有界队列
可以使用ArrayBlockingQueue（基于数组结构的有界队列，FIFO），并指定队列的最大长度
使用有界队列可以防止资源耗尽，但也会造成超过队列大小和maximumPoolSize后，提交的任务被拒绝的问题，比较难调整和控制。
threadFactory：创建线程的工厂，通过自定义的线程工厂可以给每个新建的线程设置一个具有识别度的线程名。
RejectedExecutionHandler（饱和策略）
线程池的饱和策略，当阻塞队列满了，且没有空闲的工作线程，如果继续提交任务，必须采取一种策略处理该任务，线程池提供了4种策略：
（1）AbortPolicy：直接抛出异常，默认策略；
（2）CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务；
（3）DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
（4）DiscardPolicy：直接丢弃任务；
线程池的源码分析
//其高3位用于维护线程池运行状态，低29位维护线程池中线程数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
//即高3位为1，低29位为0，该状态的线程池会接收新任务，也会处理在阻塞队列中等待处理的任务
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
//即高3位为0，低29位为0，该状态的线程池不会再接收新任务，但还会处理已经提交到阻塞队列中等待处理的任务
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
//即高3位为001，低29位为0，该状态的线程池不会再接收新任务，不会处理在阻塞队列中等待的任务，而且还会中断正在运行的任务
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
//即高3位为010，低29位为0，所有任务都被终止了，workerCount为0，为此状态时还将调用terminated()方法
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
//即高3位为100，低29位为0，terminated()方法调用完成后变成此状态
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
//c & 高3位为1，低29位为0的~CAPACITY，用于获取高3位保存的线程池状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//c & 高3位为0，低29位为1的CAPACITY，用于获取低29位的线程数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
//参数rs表示runState，参数wc表示workerCount，即根据runState和workerCount打包合并成ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//线程池的核心线程数 N(threads)=N(cpu)*U(cpu)*(1+W/C)
//N(cpu) 处理器的核数
//U(cpu)期望的cpu的利用率(0-1之间)
//W/C等待时间与计算时间的比例
System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
ThreadPoolExecutor poolExecutor =new ThreadPoolExecutor(2, 4,
60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue(4),
Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
for (int i = 0; i <8 ; i++) {
poolExecutor.execute(new Task(i));
}
System.out.println("first"+poolExecutor.getQueue());
poolExecutor.execute(new Task(100));
System.out.println("second"+poolExecutor.getQueue());
poolExecutor.shutdown();
}
poolExecutor.execute(new Task(i));执行方法
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
//线程执行方法为空的时候，报空指针异常
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//当前的线程池使用的线程数=corePoolSize
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//当线程池running状态且入队成功
int recheck = ctl.get();
//再次校验workQueue任务是否能够被执行
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
//1.如果线程池不是运行状态，拒绝添加新任务，从workQueue中删除
//如果线程池是运行状态，或者从workQueue中删除任务失败，
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
//当前woker数量为0，通过addWower()创建一个线程
//第一个参数为null，说明只是为了新建worker线程，没有指定的firstTask，第二个参数true是corePoolSize，false是maxPoolSize
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
//如果线程池不是running状态，或者无法进入队列的话，
//尝试开始新的线程，扩容maxpoolSize，如果失败，则拒绝。
reject(command);
}
addWorker(）方法
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
//外层的循环用于判断线程池的状态
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
//run-1 shutdown0 stop1 tidying2 terminated3
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
//rs >= SHUTDOWN线程池至少是shutdown状态
//firstTask不为空，在线程池已经shutdown后还要加新任务，拒绝
//workQueue.isEmpty() workQueue为空，当firstTask为空时是为了创建一个没有任务的线程，
//再从workQueue中获取任务，如果workQueue已经为空，那么就没有添加新worker线程的必要了
return false;
for (;;) {
//内层循环，负责worker+1
int wc = workerCountOf(c);
// //如果worker数量>线程池最大上限CAPACITY（即使用int低29位可以容纳的最大值）
//或者( worker数量>corePoolSize 或 worker数量>maximumPoolSize )，即已经超过了给定的边界
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//调用unsafe CAS操作，使得worker数量+1，成功则跳出retry循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
//CAS worker数量+1失败，再次读取ctl
c = ctl.get(); // Re-read ctl
//如果状态不等于之前获取的state，跳出内层循环，继续去外层循环判断
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
//worker数量+1成功的后续操作
//添加到workers Set集合，并启动worker线程
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
参数：
firstTask： worker线程的初始任务，可以为空
core： true：将corePoolSize作为上限，false：将maximumPoolSize作为上限
addWorker方法有4种传参的方式：
1、addWorker(command, true)
2、addWorker(command, false)
3、addWorker(null, false)
4、addWorker(null, true)
在execute方法中就使用了前3种，结合这个核心方法进行以下分析
第一个：线程数小于corePoolSize时，放一个需要处理的task进Workers Set。如果Workers Set长度超过corePoolSize，就返回false
第二个：当队列被放满时，就尝试将这个新来的task直接放入Workers Set，而此时Workers Set的长度限制是maximumPoolSize。如果线程池也满了的话就返回false
第三个：放入一个空的task进workers Set，长度限制是maximumPoolSize。这样一个task为空的worker在线程执行的时候会去任务队列里拿任务，这样就相当于创建了一个新的线程，只是没有马上分配任务
第四个：这个方法就是放一个null的task进Workers Set，而且是在小于corePoolSize时，如果此时Set中的数量已经达到corePoolSize那就返回false，什么也不干。实际使用中是在prestartAllCoreThreads()方法，这个方法用来为线程池预先启动corePoolSize个worker等待从workQueue中获取任务执行
执行流程：
1、判断线程池当前是否为可以添加worker线程的状态，可以则继续下一步，不可以return false：
A、线程池状态>shutdown，可能为stop、tidying、terminated，不能添加worker线程
B、线程池状态为shutdown，firstTask不为空，不能添加worker线程，因为shutdown状态的线程池不接收新任务
C、线程池状态== shutdown，firstTask==null，workQueue为空，不能添加worker线程，因为firstTask为空是为了添加一个没有任务的线程再从workQueue获取task，而workQueue为空，说明添加无任务线程已经没有意义
2、线程池当前线程数量是否超过上限（corePoolSize 或 maximumPoolSize），超过了return false，没超过则对workerCount+1，继续下一步
3、在线程池的ReentrantLock保证下，向Workers Set中添加新创建的worker实例，添加完成后解锁，并启动worker线程，如果这一切都成功了，return true，如果添加worker入Set失败或启动失败，调用addWorkerFailed()逻辑。
work类
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
/**
* This class will never be serialized, but we provide a
* serialVersionUID to suppress a javac warning.
*/
private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
/** Thread this worker is running in. Null if factory fails. */
final Thread thread;
/** Initial task to run. Possibly null. */
Runnable firstTask;
/** Per-thread task counter */
volatile long completedTasks;
/**
* Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
* @param firstTask the first task (null if none)
*/
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
runWorker(this);
}
// Lock methods
//
// The value 0 represents the unlocked state.
// The value 1 represents the locked state.
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() != 0;
}
protected boolean tryAcquire(int unused) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryRelease(int unused) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
public void lock() { acquire(1); }
public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); }
public void unlock() { release(1); }
public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
void interruptIfStarted() {
Thread t;
if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
}
}
}
}
Worker类
Worker类本身既实现了Runnable，又继承了AbstractQueuedSynchronizer（以下简称AQS），所以其既是一个可执行的任务，又可以达到锁的效果
new Worker()
1、将AQS的state置为-1，在runWoker()前不允许中断
2、待执行的任务会以参数传入，并赋予firstTask
3、用Worker这个Runnable创建Thread
之所以Worker自己实现Runnable，并创建Thread，在firstTask外包一层，是因为要通过Worker控制中断，而firstTask这个工作任务只是负责执行业务
Worker控制中断主要有以下几方面：
1、初始AQS状态为-1，此时不允许中断interrupt()，只有在worker线程启动了，执行了runWoker()，将state置为0，才能中断
不允许中断体现在：
A、shutdown()线程池时，会对每个worker tryLock()上锁，而Worker类这个AQS的tryAcquire()方法是固定将state从0->1，故初始状态state==-1时tryLock()失败，没发interrupt()
B、shutdownNow()线程池时，不用tryLock()上锁，但调用worker.interruptIfStarted()终止worker，interruptIfStarted()也有state>0才能interrupt的逻辑
2、为了防止某种情况下，在运行中的worker被中断，runWorker()每次运行任务时都会lock()上锁，而shutdown()这类可能会终止worker的操作需要先获取worker的锁，这样就防止了中断正在运行的线程
Worker实现的AQS为不可重入锁，为了是在获得worker锁的情况下再进入其它一些需要加锁的方法
Worker和Task的区别：
Worker是线程池中的线程，而Task虽然是runnable，但是并没有真正执行，只是被Worker调用了run方法。