前言

Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
第二：提高响应速度。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。
第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

线程池的实现原理

当向线程池提交一个任务之后，线程池是如何处理这个任务的呢？主要有如下几个步骤：

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，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
2）线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
3）线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

处理流程如下图所示：

ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图如下所示：

从中可以看到，如果我们执行ThreadPoolExecutor的execute方法，会遇到各种情况：
1）如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

2）如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。

3）如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

4）如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize）几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

看看源码是怎么写的：

public void execute(Runnable command) {
	if (command == null)
		throw new NullPointerException();
	// 如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
	if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
	// 如线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中。
	if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
		if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
			ensureQueuedTaskHandled(command);
	}
	// 如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，
	// 则创建一个线程执行任务。
	else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
		// 抛出RejectedExecutionException异常
	reject(command); // is shutdown or saturated
	}
}

工作线程：线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker，Worker在执行完任务后，还会循环获取工作队列里的任务来执行。我们可以从Worker类的run()方法里看到这点。

public void run() {
	try {
		Runnable task = firstTask;
		while (task != null || (task = getTask()) != null) {
			runTask(task);
			task = null;
		}
	} finally {
		workerDone(this);
	}
}

ThreadPoolExecutor中线程执行任务的示意图如下所示：

线程池中的线程执行任务分两种情况，如下。
1）在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
2）这个线程执行完上图中1的任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

线程池的使用

线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池。

new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime,
milliseconds,runnableTaskQueue, handler);

解释一下这几个参数：

1）corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

2）runnableTaskQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
·ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
·LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
·SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于Linked-BlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
·PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。

3）maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。

4）ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下。

new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();

5）RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。

·AbortPolicy：直接抛出异常。
·CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
·DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
·DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。

当然，也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

·keepAliveTime（线程活动保持时间）：线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以，
如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率。

·TimeUnit（线程活动保持时间的单位）：可选的单位有天（DAYS）、小时（HOURS）、分钟（MINUTES）、毫秒（MILLISECONDS）、微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）和纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）。

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

threadsPool.execute(new Runnable() {
     @Override
     public void run() {
         // TODO Auto-generated method stub
     }
});

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get（long timeout，TimeUnit unit）方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
	try {
		Object s = future.get();
	} catch (InterruptedException e) {
		// 处理中断异常
	} catch (ExecutionException e) {
		// 处理无法执行任务异常
	} finally {
		// 关闭线程池
		executor.shutdown();
        }

关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

线程池的种类

通过直接或者间接地配置ThreadPoolExecutor的参数可以创建不同类型的ThreadPoolExecutor，其中有 4种线程池比较常用，它们分别是FixedThreadPool、CachedThreadPool、SingleThreadExecutor和ScheduledThreadPool。

FixedThreadPool

FixedThreadPool 是可重用固定线程数的线程池。在 Executors 类中提供了创建FixedThreadPool的方法，如下所示：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                             0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                             new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都设置为创建FixedThreadPool指定的参数nThreads，也就意味着FixedThreadPool只有核心线程，并且数量是固定的，没有非核心线程。keepAliveTime设置为0L意味着多余的线程会被立即终止。因为不会产生多余的线程，所以keepAliveTime是无效的参数。另外，任务队列采用了无界的阻塞队列LinkedBlockingQueue。

CachedThreadPool

CachedThreadPool是一个根据需要创建线程的线程池，创建CachedThreadPool的代码如下所示：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                              60L, TimeUnit.SECONDS,
                              new SynchronousQueue<Runnable>());
}

CachedThreadPool的corePoolSize为0，maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，这意味着CachedThreadPool没有核心线程，非核心线程是无界的。keepAliveTime设置为60L，则空闲线程等待新任务的最长时间为 60s。在此用了阻塞队列 SynchronousQueue，它是一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等待另一个线程的移除操作，同样任何一个移除操作都等待另一个线程的插入操作。

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor是使用单个工作线程的线程池，其创建源码如下所示：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                           0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                           new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
 }

corePoolSize和maximumPoolSize都为1，意味着SingleThreadExecutor只有一个核心线程，其他的参数都和FixedThreadPool一样，这里就不赘述了。

ScheduledThreadPool

ScheduledThreadPool是一个能实现定时和周期性任务的线程池，它的创建源码如下所示：

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

这里创建了ScheduledThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor，它主要用于给定延时之后的运行任务或者定期处理任务。ScheduledThreadPoolExecutor 的构造方法如下所示：

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
}

从上面的代码可以看出，ScheduledThreadPoolExecutor 的构造方法最终调用的是ThreadPoolExecutor的构造方法。corePoolSize是传进来的固定数值，maximumPoolSize的值是Integer.MAX_VALUE。因为采用的DelayedWorkQueue是无界的，所以maximumPoolSize这个参数是无效的。