轉自http://blog.luoyuanhang.com/2017/02/27/thread-pool-in-java-2/
這是【從0到1學習Java線程池】系列文章的第 貳 篇蔚袍，該系列文章總共三篇阴绢，介紹了 Java 線程池的使用以及原理十艾，并且最后會實現(xiàn)一個基本的線程池仙蚜。本篇文章介紹了 Java 線程池的原理椭微。
【從0到1學習Java線程池】系列文章共有3篇，目錄如下：
在上一篇文章中（【從0到1學習Java線程池】Java線程池的簡介以及使用）疤孕，我們總結了線程池的3個優(yōu)點：
- 線程復用
- 控制最大并發(fā)數(shù)
- 管理線程
這篇文章會分別從這三個方面传蹈，結合具體的代碼實現(xiàn)來剖析 Java 線程池的原理以及它的具體實現(xiàn)。
線程復用
我們知道線程池的一個作用是創(chuàng)建和銷毀線程的次數(shù)习寸，每個工作線程可以多次使用胶惰。這個功能就是線程復用。想要了解 Java 線程池是如何進行線程復用的霞溪，我們首先需要了解線程的生命周期孵滞。
線程生命周期
下圖描述了線程完整的生命周期：
在一個線程完整的生命周期中中捆，它可能經歷五種狀態(tài)：新建（New）、就緒（Runnable）坊饶、運行（Running）泄伪、阻塞（Blocked）、終止（Zombie）幼东。
在 Java中臂容，Thread 通過new來新建一個線程，這個過程是是初始化一些線程信息根蟹，如線程名脓杉、id、線程所屬group等简逮，可以認為只是個普通的對象球散。調用Thread的start()后Java虛擬機會為其創(chuàng)建方法調用棧和程序計數(shù)器，同時將hasBeenStarted為true散庶，之后如果再次調用start()方法就會有異常蕉堰。
處于這個狀態(tài)中的線程并沒有開始運行，只是表示該線程可以運行了悲龟。至于該線程何時開始運行屋讶，取決于 JVM 里線程調度器的調度。當線程獲取CPU后须教，run()方法會被調用皿渗。不要自己去調用Thread的run()方法。之后根據(jù)CPU的調度轻腺，線程就會在就緒—運行—阻塞間切換乐疆，直到run()方法結束或其他方式停止線程，進入終止狀態(tài)贬养。
因此挤土，如果要實現(xiàn)線程的復用，我們必須要保證線程池中的線程保持存活狀態(tài)（就緒误算、運行仰美、阻塞）。接下來儿礼，我們就來看看ThreadPoolExecutor是如何實現(xiàn)線程復用的筒占。
Worker 類
ThreadPoolExecutor主要是通過一個類來控制線程復用的：Worker 類。
我們來看一下簡化后的 Worker 類代碼：
private final class Worker implements Runnable {
final Thread thread;
Runnable firstTask;
Worker(Runnable firstTask) {
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public void run() {
runWorker(this);
}
final void runWorker(Worker w) {
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
while (task != null || (task = getTask()) != null){
task.run();
}
}
……
}
從代碼中蜘犁，我們可以看到 Worker 實現(xiàn)了 Runnable 接口翰苫，并且它還有一個 Thread成員變量 thread，這個 thread 就是要開啟運行的線程。我們看到 Worker 的構造方法中傳遞了一個 Runnable 參數(shù)奏窑，同時它把自己作為參數(shù)傳入 newThread()导披，這樣的話，當 Thread 的start()方法得到調用時埃唯，執(zhí)行的其實是 Worker 的run()方法撩匕，即runWorker()方法。
runWorker()方法之中有一個 while 循環(huán)墨叛，使用 getTask()來獲取任務止毕，并執(zhí)行。接下來漠趁，我們將會看到getTask()是如何獲取到 Runnable 對象的扁凛。
getTask()
我們來看一下簡化后的getTask()代碼：
private Runnable getTask() {
if(一些特殊情況) {
return null;
}
Runnable r = workQueue.take();
return r;
}
我們可以看到任務是從 workQueue中獲取的，這個 workQueue 就是我們初始化 ThreadPoolExecutor 時存放任務的 BlockingQueue隊列闯传，這個隊列里的存放的都是將要執(zhí)行的 Runnable任務谨朝。因為 BlockingQueue 是個阻塞隊列，BlockingQueue.take()返回的是空甥绿，則進入等待狀態(tài)直到 BlockingQueue 有新的對象被加入時喚醒阻塞的線程字币。所以一般情況下，Thread的run()方法不會結束共缕，而是不斷執(zhí)行workQueue里的Runnable任務洗出，這就達到了線程復用的目的了。
控制最大并發(fā)數(shù)
我們現(xiàn)在已經知道了 Java 線程池是如何做到線程復用的了图谷，但是Runnable 是什么時候被放入 workQueue 隊列中的呢翩活，Worker里的Thread的又是什么時候調用start()開啟新線程來執(zhí)行Worker的run()方法的呢？從上面的分析中我們可以看出Worker里的runWorker()執(zhí)行任務時是一個接一個蜓萄，串行進行的隅茎，那并發(fā)是怎么體現(xiàn)的呢澄峰？它又是如何做到控制最大并發(fā)數(shù)的呢嫉沽？
execute()
通過查看 execute()就能解答上述的一些問題，同樣是簡化后的代碼：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null) throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 當前線程數(shù) < corePoolSize
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 直接啟動新的線程俏竞。
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 活動線程數(shù) >= corePoolSize
// runState為RUNNING && 隊列未滿
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次檢驗是否為RUNNING狀態(tài)
// 非RUNNING狀態(tài) 則從workQueue中移除任務并拒絕
if (!isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 采用線程池指定的策略拒絕任務
// 兩種情況：
// 1.非RUNNING狀態(tài)拒絕新的任務
// 2.隊列滿了啟動新的線程失敵袼丁（workCount > maximumPoolSize）
} else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
addWorker()
我們再來看一下addWorker()的簡化代碼：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) {
return false;
}
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
t.start();
}
根據(jù)上面的代碼，線程池工作過程中是如何添加任務的就很清晰了：
- 如果正在運行的線程數(shù)量小于 corePoolSize魂毁，那么馬上創(chuàng)建線程運行這個任務玻佩；
- 如果正在運行的線程數(shù)量大于或等于 corePoolSize，那么將這個任務放入隊列席楚；
- 如果這時候隊列滿了咬崔，而且正在運行的線程數(shù)量小于 maximumPoolSize，那么還是要創(chuàng)建非核心線程立刻運行這個任務；
- 如果隊列滿了垮斯，而且正在運行的線程數(shù)量大于或等于 maximumPoolSize郎仆，那么線程池會拋出異常RejectExecutionException
如果通過addWorker()成功創(chuàng)建新的線程，則通過start()開啟新線程兜蠕，同時將firstTask作為這個Worker里的run()中執(zhí)行的第一個任務扰肌。雖然每個Worker的任務是串行處理，但如果創(chuàng)建了多個Worker熊杨，因為共用一個workQueue曙旭，所以就會并行處理了。所以可以根據(jù)corePoolSize和maximumPoolSize來控制最大并發(fā)數(shù)晶府。
過程如下圖所示：
一個例子
如果是做 Android 開發(fā)的桂躏，并且對 Handler 原理比較熟悉，你可能會覺得這個圖挺熟悉郊霎，其中的一些過程和Handler沼头，Looper，Meaasge使用中书劝，很相似进倍。Handler.send(Message)相當于execute(Runnuble)，Looper中維護的Meaasge隊列相當于BlockingQueue购对，只不過需要自己通過同步來維護這個隊列猾昆，Looper中的loop()函數(shù)循環(huán)從Meaasge隊列取Meaasge和Worker中的runWork()不斷從BlockingQueue取Runnable是同樣的道理。
管理線程
上邊的文章已經講了骡苞，通過線程池可以很好的管理線程的復用垂蜗，控制并發(fā)數(shù)，以及銷毀等過程解幽，而線程的管理過程已經穿插在其中了贴见，也很好理解。
在 ThreadPoolExecutor 有個AtomicInteger變量 ctl躲株，這一個變量保存了兩個內容：
- 所有線程的數(shù)量
- 每個線程所處的狀態(tài)
其中低29位存線程數(shù)片部，高3位存runState，通過位運算來得到不同的值霜定。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//得到線程的狀態(tài)
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//得到Worker的的數(shù)量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
// 判斷線程是否在運行
private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; }
這里主要通過shutdown和shutdownNow()來分析線程池的關閉過程档悠。首先線程池有五種狀態(tài)來控制任務添加與執(zhí)行。主要介紹以下三種：
- RUNNING狀態(tài)：線程池正常運行望浩，可以接受新的任務并處理隊列中的任務辖所；
- SHUTDOWN狀態(tài)：不再接受新的任務，但是會執(zhí)行隊列中的任務磨德；
- STOP狀態(tài)：不再接受新任務缘回，不處理隊列中的任務
shutdown()這個方法會將runState置為SHUTDOWN，會終止所有空閑的線程，而仍在工作的線程不受影響酥宴，所以隊列中的任務人會被執(zhí)行揩环；shutdownNow()方法將runState置為STOP。和shutdown()方法的區(qū)別是幅虑，這個方法會終止所有的線程丰滑，所以隊列中的任務也不會被執(zhí)行了。
