前言

在实际开发中很多人用过线程池但是并不一定懂线程池。有如下几个问题：

1. 创建线程比较耗费资源体现在哪儿？
2. 线程怎么保活?
3. 一个线程是怎么进行Runnable一个又一个的执行的？
4. 对于线程池构造参数你能理解它们的意义吗？当一个个任务运行时，你可否知道它们去哪儿，它们什么时候会执行，会结束？它们发生异常之后是怎样的？在设置数量的时候设置多大是合适的？设置时间的时候设置多长？一个线程池，core=2,max=4,queue=1,请问最多几个线程就触发拒绝策略？
5. 为什么使用线程池？redis之前是单线程的，也很快。

如果你能回答不需要再往下看。
这里我们学习除了问题1、问题5的其它问题。

自己设计线程池

在学习线程池之前，如果让你设计手写一个线程池，你会怎么写？
要求：
1）有核心线程，任务执行结束后存活。
2）有最大线程数，可以接收多少个线程，并实现相应的拒绝策略。

大概是这样：

public class MyPool implements MyExecutor {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private AtomicInteger core;
    private AtomicInteger max;
    private BlockingQueue<Runnable> workQueue;
    private ThreadFactory threadFactory;

    private MyRejectedExecutionHandler handler;

    private static class AbortPolicy implements MyRejectedExecutionHandler {
        @Override
        public void rejectedExecution(Runnable r, MyPool executor) {
            throw new RejectedExecutionException("拒绝线程");
        }
    }

    public MyPool(int core, int max, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory) {
        if (core < 0 || max < 0 || max < core) throw new IllegalArgumentException();
        this.core = new AtomicInteger(core);
        this.max = new AtomicInteger(max);
        this.workQueue = workQueue;
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = new AbortPolicy();
    }

    public ThreadFactory getThreadFactory() {
        return threadFactory;
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        int c = count.get();
        if (c < core.get()) {
            count.incrementAndGet();
            Thread thread = getThreadFactory().newThread(command);
            thread.start();
        } else if (c < max.get()) {
            count.incrementAndGet();
            Thread thread = getThreadFactory().newThread(command);
            thread.start();
        } else {
            handler.rejectedExecution(command,this);
            throw new RejectedExecutionException("线程池已满");
        }
    }

}

遇到的问题 ，参数都没用完，线程不保活，线程池没状态，没生命周期，还有并发问题。

ThreadPoolExecutor

首先来看diagram。

ThreadPoolExecutor的关系是简单的，在AbstractExecutorService是抽象类，主要实现了ExecutorService的功能，这里只看Executor接口及其实现ThreadPoolExecutor。

Executor接口

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

executor是比较重要的接口，核心接口。

ThreadPoolExecutor实现

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        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);
    }

猛一看云里雾里的，逻辑和我们想的不一样。
第一行是个校验，比较简单。第二行的ctl是什么？中间的addWorker是什么？

线程池控制参数ctl

ctl源码是

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

ctl是Main pool control state,线程池控制的核心，ctl的值前3位表示线程池的状态，后29位表示线程池的线程数量。通过一个值就完成了状态和数量的整合，简直完美。

运行状态rs有

ctlOf方法

private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

ctlOf方法就是通过rs(运行状态)和wc(线程数量)计算出ctl的值。

workerCountOf方法

private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

workerCountOf计算worker的数量

runStateOf方法

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

runStateOf计算线程池的状态

Worker

 /**
 *Worker是线程池的一个工作单元，继承AQS就保证了一个worker执行时，其它线程不会进来，一个worker本身又是
 *一个Runnable，用于创建Thread时候传入worker。
 */
 private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
        /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
        //线程池中运行的Thread都是此处的thread，在构造worker的时候就会生成
        //当thread.start的时候，会运行此worker中的run方法，能执行多个Runnable，重用一个thread的秘诀就在这里面
        final Thread thread;
        /** Initial task to run.  Possibly null. */
        //进来的第一个Runnable任务就会放入这里
        //很多人不明白为啥是第一个，worker后面的执行的Runnable都是从workQueue中取的，故此处只是第一个
        Runnable firstTask;
        /** Per-thread task counter */
        //记录了完成的任务数
        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  */
        //runWorker(this)重用线程，不再启动Thread的精髓
        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) {
                }
            }
        }
    }

runWorker(Worker w)

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        //unlock是state初始时是-1
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
        	//精髓在这里
        	//task为null的时候，任务结束，线程结束。
        	//task不为null好理解，getTak是从workQueue取，2种，一种是带超时的poll(时间就是初始化的keepAliveTime)，一种是阻塞take，这个getTask就保证了线程的存活，任务的执行。
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            //worker加锁，进行状态校验
                w.lock();
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                	//空方法，子类可以实现，你可以自己继承这个类，重写这个方法干事
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                    	//任务的执行，每个任务只是跑run方法，不是启动生成线程
                        task.run();
                    } catch (RuntimeException x) {
                        //...省略代码
                    } finally {
                    	//空方法
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

搞明白ctl和worker后，再看execute方法。

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        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);
}

这段的逻辑：当线程数少于核心线程数的时候，生成worker并运行，over。放进workQueue，成功返回over，否则添加worker到max下，这个worker运行结束后就消失了。

线程池中的参数含义

现在咱们来解释线程池中各个参数的含义

/**
*@param corePoolSize 核心线程数，保活的线程，当设置allowCoreThreadTimeOut后保活一定一定时间
*@param maximumPoolSize 最大线程数 此线程池允许的最大线程数
*@param keepAlivetime 当线程数量大于核心数量，过多的空闲线程在终止前会等待新任务的最大时间
*@param unit 和keepAlivetTime使用
*@param workQueue 在任务被执行前持有runnable的队列，只会持有execute提交的Runnable
*@param threadFactory 线程工厂
*@param handler 拒绝策略
*/
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> 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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

有两个问题：
1.corePoolSize的保活时间是多少
2.keepAliveTime的时间是空闲线程的存活时间 ，代码体现在哪儿？
答：
1.corePoolSize的保活时间是当allowCoreThreadTimeOut设置为true时保活keepAliveTime，为false时是永远。
allowCoreThreadTimeOut默认是false,但是可以设置。在ThreadPoolExecutor中提供了一个公共方法来设置这个值。

    public void allowCoreThreadTimeOut(boolean value) {
        if (value && keepAliveTime <= 0)
            throw new IllegalArgumentException("Core threads must have nonzero keep alive times");
        if (value != allowCoreThreadTimeOut) {
            allowCoreThreadTimeOut = value;
            if (value)
                interruptIdleWorkers();
        }
    }

2.代码

   boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

至此，线程池的参数全部清楚了。
corePoolSize:核心线程数，当allowCoreThreadTimeOut为true是，核心线程保活一定时间(kepAliveTime)，为false时保活永远。
maximumPoolSize:最大线程数，线程池所允许的最大线程数
workQueue:任务队列，当线程数小于核心线程数时就会把任务放入此队列。
在此有三个数core,max,queue，它们三者的关系是什么呢？
线程数<core==>核心线程，
否则 workQueue，
否则 max。
源码

        //小于核心线程数，进核心线程
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
         ...
        }
        //核心线程满了，进workQueue
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
		 ...
        }
        //workQueue满了，直接生成线程,到max了。
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);

线程池的生命周期

线程池的生命周期和线程池的状态息息相关。
线程池的状态的变化。

-1–>0–>2–>3
或
-1–>1–>2–>3
线程的状态不会倒回去，也就是说运行状态变成关闭状态的时候，不会再变回运行态。

总结

学习线程池我们可以学习到什么？

1. 状态和数量维护到一个值中可以避免两个变量带来的问题。
2. 线程保活只是在一个线程线程里面进行Runnable任务的循环执行
3. 使用位运算