一、简介
ThreadPoolExecutor是Java并发编程中使用最广泛的类之一，由于线程的创建和销毁需要消耗系统资源，所以通过使用线程池来有效管理线程。
二、工作流程
当向线程池提交一个任务后，线程池是如何来处理的？
如上图：
- 判断核心线程池是否已满。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已满，进入下个步骤
- 判断工作队列是否已满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在工作队列里。如果队列满了，进入下个步骤
- 判断线程池是否已满。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务
- 如果线程池已满，则交给饱和策略来处理这个任务
三、源码解读
3.1 线程池参数
ThreadPoolExecutor的构造函数参数含义：
- corePoolSize：核心线程数大小，当线程数
即使有空闲的核心线程也会创建）来执行任务 - maximumPoolSize：最大线程数， 当线程数 >= corePoolSize的时候，会把任务放入工作队列中，当工作队列也满了之后，会再创建新的线程，直到达到最大线程数
- keepAliveTime ：保持存活时间，当线程数大于corePoolSize的空闲线程能保持存活的最大时间。
- unit：时间单位
- workQueue：保存任务的阻塞队列
- threadFactory：创建线程的工厂
- handler：拒绝策略 （包括4种：直接抛出异常 - 默认、使用调用者所在线程来运行任务、丢弃队列里最近一个任务来执行当前任务、不处理直接丢弃）
3.2 线程池运行状态、工作线程数量
ThreadPoolExecutor很巧妙的使用了一个AtomicInteger类型的ctl变量，来表示线程池运行状态 和 工作线程数量，高3位用来表示线程池运行状态，低29位用于表示工作线程数量。线程池运行状态有5种，状态和其对应的高3位分别是RUNNING(111)、SHUTDOWN(000)、STOP(001)、TIDYING(010)和TERMINATED(011)。runStateOf()和workerCountOf()方法分别可以计算出线程池运行状态和工作线程数量。源码如下：
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
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }3.3 工作线程Worker
ThreadPoolExecutor内部有一个工作线程Worker类，它并不是继承Thread类，而是内部包含了一个Thread对象，而且在初始化该Thread对象时，还将当前Worker对象作为构造函数参数传入，形成了一种相互引用的关系。
工作线程Worker类也是设计的很巧妙，这个类继承了AbstractQueuedSynchronizer且实现了Runnable接口，实现Runnable接口是比较容易理解的，它的run()方法就是该工作线程的需要做的工作。而为什么要继承AbstractQueuedSynchronizer呢？这是用于后续判断该工作线程是否已经在执行中，如果正在执行中，那么该工作线程就不能被中断。代码如下
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
/** 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;
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);
}
// 下面是一些实现AQS需要实现的方法，不一一展开了
}3.4 提交任务
我们通常使用execute()或submit()来提交任务，那么submit()内部也是使用execute()方法来执行的，所以这里我们看下execute()方法的源码：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* 分为3个步骤
* 1. 如果当前线程数小于核心线程池大小，会调用addWorker方法，addWorker方法会根据运行状态和线程数量来判断是否需要新增工作线程
* 2. 如果当前线程池运行状态是RUNNING，尝试添加任务到任务队列workQueue中
* 3. 如果无法添加到任务队列中，继续调用addWorker方法，判断是否新增工作线程
* 4. 最后如果还是无法新增工作线程，则采取拒绝策略
*/
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}3.5 新增工作线程
通过上面的代码，很明显我们接下来就需要看下addWorker()是如何根据运行状态和线程数量来判断是否需要新增工作线程，并且这个方法也是ThreadPoolExecutor中最重要的方法。首先根据运行状态和线程数量来判断是否新增工作线程，如果判断不新增，直接返回false，否则新增工作线程。源码如下：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
/*
* 1. 如果运行状态是STOP、TIDYING和TERMINATED，那么直接返回false，新增工作线程失败
* 2. 如果运行状态是RUNNING，直接进行下一步
* 3. 如果运行状态是SHUTDOWN，当firstTask不为空（代表新来的任务），也直接返回false，新增工作线程失败。
* firstTask为空的话，如果任务队列为空，也不新增工作线程，反之新增工作线程。
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
/*
* 这里主要是判断工作线程数量是否大于核心线程数（core为true）或大于最大线程数（core为false），如果大于，则添加工作线程失败
* 否则将ctl的值加1，也就是将工作线程数量加1，并且跳出两层循环
*/
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// new一个工作线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 获取线程池的锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 再次检查线程池运行状态
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();
// 如果当前工作线程数大于工作线程数的历史最大值，则更新历史最大值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
// 启动工作线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 如果新增工作线程失败，将ctl的值减1，也就是将工作线程数量减1
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}3.6 工作线程的工作流程
工作线程Worker的run()方法中的runWroker(this)就是其工作流程，如果firstTask不为空，直接执行firstTask，否则从任务队列中获取任务（如果需要回收工作线程，则使用超时获取任务机制，一旦获取任务超时，则回收工作线程，如果不需要回收工作线程，工作线程将会一直阻塞，直到获取任务），代码如下
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 如果firstTask不为空，直接执行，否则从任务队列中获取任务（超时获取或阻塞获取）
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 获取工作线程的锁，代表工作线程不空闲
w.lock();
// 如果运行状态大于等于STOP，中断当前工作线程
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 钩子函数，可以继承ThreadPoolExecutor，并重写该方法，通常用来监控任务执行
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 具体任务的执行
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 钩子函数，同beforeExecute()
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
// 任务是否意外终止
completedAbruptly = false;
} finally {
// 退出工作线程
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}退出工作线程可分为正常退出或任务异常导致，当completedAbruptly为true时，代表是任务异常导致退出工作线程，completedAbruptly为false，代表任务队列为空，且正常回收线程（当allowCoreThreadTimeOut为false时，线程数量大于核心线程数，或当allowCoreThreadTimeOut为true时，线程数量大于0），代码如下：
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
// 如果任务异常导致工作线程退出，工作线程数减1，如果工作线程正常退出时，在getTask()方法中已经将工作线程数减1
if (completedAbruptly)
decrementWorkerCount();
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
completedTaskCount += w.completedTasks;
// 移除工作线程
workers.remove(w);
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
int c = ctl.get();
// 如果运行状态小于STOP，判断是否需要新增工作线程来处理
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
// 如果工作线程正常退出
if (!completedAbruptly) {
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
// 如果工作线程已经大于等于min值，那么不需要执行下面的addWork()，直接返回
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
// 执行addWorker()来新增工作线程
addWorker(null, false);
}
}3.7 关闭线程池
我们通常会使用shutdown()或shutdownNow()方法来关闭线程池。
- shutdown是将线程池的状态设置为SHUTDOWN状态，不接受新的任务，正在执行的任务和队列中的任务会继续执行完，如果任务队列为空，则中断并退出空闲的工作线程。
- shutdownNow将线程池的状态设置成STOP，不接受新的任务，且尝试中断所有正在执行的任务，不执行并返回任务队列中的任务列表。
shutdown()和shutdownNow()方法类似，这里只看shutdown()方法，代码如下：
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 更新运行状态为SHUTDOWN
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断空闲的工作线程，因为任务队列为空，所以该工作线程会退出
interruptIdleWorkers();
// 钩子函数
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
/**
* 尝试终止线程池
* 当运行状态为SHUTDOWN且任务队列为空且工作线程数为0，或者运行状态为STOP且工作线程数为0
* 代表线程池关闭，执行terminated函数，这也是个钩子函数
*/
tryTerminate();
}四、总结
以上解读的就是ThreadPoolExecutor中最核心的代码，包括提交任务、新增工作线程、工作线程的工作流程以及线程池的关闭等，理解了这些代码，我们就可以知道ThreadPoolExecutor线程池具体是如何工作的，也能在工作中更加得心应手地去使用它。文中若有错误，欢迎指正。