并发编程之Executor线程池原理与源码解读

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前言

在介绍线程池之前，我们先回顾下线程的基本知识。其中线程池包括ThreadPoolExecutor 默认线程和ScheduledThreadPoolExecutor 定时线程池 ，本篇重点介绍ThreadPoolExecutor线程池。

线程

线程是调度CPU资源的最小单位，线程模型分为KLT模型与ULT模型，JVM使用的是KLT模型，Java线程与OS线程保持 1:1 的映射关系，也就是说有一个Java线程也会在操作系统里有一个对应的线程。

内核线程模型

内核线程(KLT)：系统内核管理线程(KLT)，内核保存线程的状态和上下文信息，线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器系统上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成，效率比ULT要慢，比进程操作快。

用户线程模型

用户线程(ULT)：用户程序实现，不依赖操作系统核心，应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/内核态切换，速度快。内核对ULT无感知，线程阻塞则进程（包括它的所有线程）阻塞。

Java线程生命状态

Java线程有多种生命状态：

• NEW ，新建
• RUNNABLE ，运行
• BLOCKED ，阻塞
• WAITING ，等待
• TIMED_WAITING ，超时等待
• TERMINATED，终结

状态切换如下图所示：

Java线程实现方式

Java线程实现方式主要有四种：

• 继承Thread类
• 实现Runnable接口、
• 实现Callable接口通过FutureTask包装器来创建Thread线程、
• 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程。

其中前两种方式线程执行完后都没有返回值，后两种是带返回值的。

继承Thread类创建线程

Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。这种方式实现多线程很简单，通过自己的类直接extend Thread，并复写run()方法，就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。例如：

public class MyThread extends Thread {  
　　public void run() {  
　　 System.out.println("关注一角钱技术，获取Java架构资料");  
　　}  
}  
 
MyThread myThread1 = new MyThread();  
MyThread myThread2 = new MyThread();  
myThread1.start();  
myThread2.start();

实现Runnable接口创建线程

如果自己的类已经extends另一个类，就无法直接extends Thread，此时，可以实现一个Runnable接口，如下：

// 实现Runnable接口的类将被Thread执行，表示一个基本的任务
public interface Runnable {
    // run方法就是它所有的内容，就是实际执行的任务
    public abstract void run();
}

public class MyThread implements Runnable {  
　　public void run() {  
　　  System.out.println("关注一角钱技术，获取Java架构资料");  
　　}  
}

为了启动MyThread，需要首先实例化一个Thread，并传入自己的MyThread实例：

MyThread myThread = new MyThread();  
Thread thread = new Thread(myThread);  
thread.start();  

事实上，当传入一个Runnable target参数给Thread后，Thread的run()方法就会调用target.run()，参考JDK源代码：

public void run() {  
　　if (target != null) {  
　　 target.run();  
　　}  
}

实现Callable接口通过FutureTask包装器来创建Thread线程

Callable接口（也只有一个方法）定义如下：

public interface Callable { 
    V call（） throws Exception;   
} 

//Callable同样是任务，与Runnable接口的区别在于它接收泛型，同时它执行任务后带有返回内容
public class SomeCallable implements Callable {
    // 相对于run方法的带有返回值的call方法
    @Override
    public V call() throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        return null;
    }

}

Callable oneCallable = new SomeCallable();   
//由Callable创建一个FutureTask对象：   
FutureTask oneTask = new FutureTask(oneCallable);
//注释：FutureTask是一个包装器，它通过接受Callable来创建，它同时实现了Future和Runnable接口。
//由FutureTask创建一个Thread对象：   
Thread oneThread = new Thread(oneTask);   
oneThread.start();   
//至此，一个线程就创建完成了。

使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的线程

ExecutorService、Callable、Future三个接口实际上都是属于Executor框架。返回结果的线程是在JDK1.5中引入的新特征，有了这种特征就不需要再为了得到返回值而大费周折了。而且自己实现了也可能漏洞百出。（下部分来讲线程池了）

• 可返回值的任务必须实现Callable接口。
• 类似的，无返回值的任务必须实现Runnable接口。

执行Callable任务后，可以获取一个Future的对象，在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了。

注意：get方法是阻塞的，即：线程无返回结果，get方法会一直等待。

再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。

下面提供了一个完整的有返回结果的多线程测试例子。代码如下：

package com.niuh.thread.v4;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

/**
 * 

 * 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的线程
 * 
 */
public class MyThread {
    
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException,
            InterruptedException {

        System.out.println(("----程序开始运行----"));
        Date date1 = new Date();

        int taskSize = 5;
        // 创建一个线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize);
        // 创建多个有返回值的任务
        List list = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < taskSize; i++) {
            Callable c = new MyCallable(i + " ");
            // 执行任务并获取Future对象
            Future f = pool.submit(c);
            // System.out.println(">>>" + f.get().toString());
            list.add(f);
        }
        // 关闭线程池
        pool.shutdown();

        // 获取所有并发任务的运行结果
        for (Future f : list) {
            // 从Future对象上获取任务的返回值，并输出到控制台
            System.out.println(">>>" + f.get().toString());
        }

        Date date2 = new Date();
        System.out.println("----程序结束运行----，程序运行时间【"
                + (date2.getTime() - date1.getTime()) + "毫秒】");
    }
}

class MyCallable implements Callable