零.引子
线程是程序运行中一个非常重要的概念。通常情况下，程序从静态代码，到解析为机器码被加载入内存开始动态运行，就转变为一个进程。也可以说，程序是一个静态概念，程序运行起来后就变成了一个进程，进程是计算机分配CPU、内存等各种资源的基本单位。
我们平时在电脑中开启一些程序时，比如开启eclipse，idea等开发工具时，会发现程序启动较慢，这是因为进程运行所依赖的资源较多，故开启一个进程耗费的资源和时间也较多。一个进程中往往有多个子任务，从而轮番获取CPU的执行权，这些需要获取CPU执行权的子任务就称为线程，线程是计算机分配CPU执行权的最小单位。
相对于进程而言，线程的运行仅需要CPU执行权即可，耗费资源与时间大大减少。然而，现在的计算机操作系统基本上都承担着处理高并发任务的职责，如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，那么频繁创建线程就会大大降低系统的效率，这是因为，频繁创建线程和销毁线程也需要时间。
这就不由让我们考虑一个问题：有没有一种办法使得线程可以复用，从而避免线程的频繁创建？也就是说，当线程执行完一个任务时，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？
答案是可以的。在Java中，我们可以通过线程池来达到线程复用的效果。我们接下来详细讲解Java的线程池，为此，我们先从最核心的ThreadPoolExecutor类中的方法讲起，然后再讲述其实现原理，接着给出一个使用示例，最后讨论如何合理配置线程池的大小。
一.
为了对线程池有个比较全面的理解，我们先来看类ThreadPoolExecutor的继承体系：
通过上图可知，接口Executor是线程池体系的顶级接口。上述线程池继承体系的主要API如下：
1 public interface Executor { 2 void execute(Runnable command); 3 } 4 public interface ExecutorService extends Executor { 5 void shutdown(); 6 boolean isShutdown(); 7 boolean isTerminated(); 8 boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 9 <T> Future<T> submit(Callable<T> task); 10 <T> Future<T> submit(Runnable task, T result); 11 Future<?> submit(Runnable task); 12 <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException; 13 <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, throws InterruptedException; 14 <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException; 15 <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit) 16 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; 17 } 18 public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService { 19 protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) { }; 20 protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { }; 21 public Future<?> submit(Runnable task) {}; 22 public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) { }; 23 public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { }; 24 private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,boolean timed, long nanos) 25 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { }; 26 public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) 27 throws InterruptedException, ExecutionException { }; 28 public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit) 29 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { }; 30 public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) 31 throws InterruptedException { }; 32 public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit) 33 throws InterruptedException { 34 }; 35 } 36 public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { 37 ..... 38 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, 39 BlockingQueue<Runnable> workQueue); 40 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, 41 BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory); 42 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, 43 BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler); 44 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, 45 BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler); 46 ... 47 }
在类ThreadPoolExecutor类中，提供了4个构造器，通过对其源代码观察，我们发现前三个构造器都是调用了第四个构造器进行了初始化工作。在此，我们看下第四个构造器中各个参数的含义。
corePoolSize：核心池的大小。默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中。如果调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法，从这2个方法的名字也可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程。
maximumPoolSize：线程池最大线程数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程。
keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用。也就是说，当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0。
unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：
1 TimeUnit.DAYS; //天 2 TimeUnit.HOURS; //小时 3 TimeUnit.MINUTES; //分钟 4 TimeUnit.SECONDS; //秒 5 TimeUnit.MILLISECONDS; //毫秒 6 TimeUnit.MICROSECONDS; //微妙 7 TimeUnit.NANOSECONDS; //纳秒
workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务，会对线程池的运行过程产生重大影响。一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：
1 ArrayBlockingQueue; 2 PriorityBlockingQueue； 3 //上面两种使用较少，我们通常使用下面两种 4 LinkedBlockingQueue; 5 SynchronousQueue; 6 //线程池的排队策略与BlockingQueue有关
threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程。
handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：
1 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 2 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。 3 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程） 4 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：调用其他线程处理该任务
在介绍了类ThreadPoolExecutor的构造器里的参数的含义后，我们接下来看该类中几个非常重要的方法：
1 execute() 2 submit() 3 shutdown() 4 shutdownNow()
execute()方法实际上是接口Executor中声明的方法，在类ThreadPoolExecutor中进行了具体的实现，这个方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。
submit()方法是在ExecutorService中声明的方法，在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现，在ThreadPoolExecutor中并没有对其进行重写，这个方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果，去看submit()方法的实现，会发现它实际上还是调用的execute()方法，只不过它利用了Future来获取任务的执行结果。
shutdown()和shutdownNow()是用来关闭线程池的。
另外，类ThreadPoolExecutor中还定义了一些其他的方法，如getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount()等获取与线程池相关的属性。
二.
我们在上面从宏观层面介绍了类ThreadPoolExecutor，我们接下来从几个方面深入了解线程池的内部实现原理。
1.线程池状态
2.任务的执行
3.线程池中的线程初始化
4.任务缓存队列及排队策略
5.任务拒绝策略
6.线程池的关闭
7.线程池容量的动态调整
在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：
1 volatile int runState; 2 static final int RUNNING = 0; 3 static final int SHUTDOWN = 1; 4 static final int STOP = 2; 5 static final int TERMINATED = 3;
runState表示当前线程池的状态，它用一个volatile变量来保证线程之间的可见性。runState下面的几个static final变量则表示runState可能的几个取值：
当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；
如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。
2.任务的执行
我们先来看一下类ThreadPoolExecutor中定义的一些比较重要的成员变量：
1 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //任务缓存队列，用来存放等待执行的任务 2 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); //线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小，runState等）的改变都要使用这个锁 3 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //用来存放工作集 4 private volatile long keepAliveTime; //线程存活时间 5 private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut; //是否允许为核心线程设置存活时间 6 private volatile int corePoolSize; //核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列） 7 private volatile int maximumPoolSize; //线程池最大能容忍的线程数 8 private volatile int poolSize; //线程池中当前的线程数 9 private volatile RejectedExecutionHandler handler; //任务拒绝策略 10 private volatile ThreadFactory threadFactory; //线程工厂，用来创建线程 11 private int largestPoolSize; //用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数 12 private long completedTaskCount; //用来记录已经执行完毕的任务个数
总的来说，任务提交给线程池之后的处理策略，主要有4个方面：
- 如果当前线程池中的线程数目小于corePoolSize，则每来一个任务，就会创建一个线程去执行这个任务；
- 如果当前线程池中的线程数目>=corePoolSize，则每来一个任务，会尝试将其添加到任务缓存队列当中，若添加成功，则该任务会等待空闲线程将其取出去执行；若添加失败（一般来说是任务缓存队列已满），则会尝试创建新的线程去执行这个任务；
- 如果当前线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，则会采取任务拒绝策略进行处理；
- 如果线程池中的线程数量大于 corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；如果允许为核心池中的线程设置存活时间，那么核心池中的线程空闲时间超过keepAliveTime，线程也会被终止。
3.线程池中的线程初始化
默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。
在实际中，如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法实现：
- prestartCoreThread()：初始化一个核心线程；
- prestartAllCoreThreads()：初始化所有核心线程
4.任务缓存队列及排队策略
我们在前面提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。
workQueue的类型为BlockingQueue<Runnable>，通常可以取下面三种类型：
1）ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小；
2）LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；
3）synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。
5.任务拒绝策略
当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：
1 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 2 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。 3 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程） 4 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：调用其他线程处理该任务
6.线程池的关闭
ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：
- shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
- shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
7.线程池容量的动态调整
ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，
- setCorePoolSize：设置核心池大小
- setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小
当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。
三.
线程池的使用示例。
1 public class Test6 { 2 public static void main(String[] args) { 3 ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 200, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5)); 4 for(int i=0;i<15;i++){ 5 MyTask myTask=new MyTask(i); 6 executor.execute(myTask); 7 System.out.println("线程池中线程数目:"+executor.getPoolSize()+ 8 ",队列中等待的任务数目:"+executor.getQueue().size()+ 9 ",已执行完其他的任务数目:"+executor.getCompletedTaskCount()); 10 } 11 executor.shutdown(); 12 } 13 static class MyTask implements Runnable{ 14 private int taskNum; 15 public MyTask(int taskNum){ 16 this.taskNum=taskNum; 17 } 18 @Override 19 public void run() { 20 System.out.println("正在执行task:"+taskNum); 21 try { 22 Thread.currentThread().sleep(1000); 23 } catch (InterruptedException e) { 24 e.printStackTrace(); 25 } 26 System.out.println("task--"+taskNum+"执行完毕"); 27 } 28 } 29 }
上述代码执行结果如下：
正在执行task:0 线程池中线程数目:1,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:2,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:1 线程池中线程数目:3,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:2 线程池中线程数目:4,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:3 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:0,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:1,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:4 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:2,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:3,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:4,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:5,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 线程池中线程数目:6,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:10 线程池中线程数目:7,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:11 线程池中线程数目:8,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:12 线程池中线程数目:9,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:13 线程池中线程数目:10,队列中等待的任务数目:5,已执行完其他的任务数目:0 正在执行task:14 task--0执行完毕 正在执行task:5 task--12执行完毕 task--11执行完毕 正在执行task:6 task--3执行完毕 正在执行task:8 task--4执行完毕 正在执行task:9 task--13执行完毕 task--2执行完毕 正在执行task:7 task--14执行完毕 task--10执行完毕 task--1执行完毕 task--5执行完毕 task--9执行完毕 task--7执行完毕 task--8执行完毕 task--6执行完毕
从执行结果可以看出，当线程池中线程的数目大于5时，便将任务放入任务缓存队列里面，当任务缓存队列满了之后，便创建新的线程。如果上面程序中，将for循环中改成执行20个任务，就会抛出任务拒绝异常了。
在Java doc中，并不提倡我们直接使用ThreadPoolExecutor，而是使用Executors类中提供的几个静态方法来创建线程池，具体如下：
1 Executors.newCachedThreadPool(); //创建一个缓冲池，缓冲池容量大小为Integer.MAX_VALUE 2 Executors.newSingleThreadExecutor(); //创建容量为1的缓冲池 3 Executors.newFixedThreadPool(int); //创建固定容量大小的缓冲池
上述三个静态方法的实现如下：
1 public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { 2 return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 3 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, 4 new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); 5 } 6 public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { 7 return new FinalizableDelegatedExecutorService 8 (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 9 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, 10 new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); 11 } 12 public static ExecutorService newCachedThreadPool() { 13 return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 14 60L, TimeUnit.SECONDS, 15 new SynchronousQueue<Runnable>()); 16 }
从上述三个静态方法的具体实现来看，它们实际上也是调用了ThreadPoolExecutor，只不过都已配置好了参数。
newFixedThreadPool创建的线程池corePoolSize和maximumPoolSize值是相等的，它使用的LinkedBlockingQueue；
newSingleThreadExecutor将corePoolSize和maximumPoolSize都设置为1，也使用的LinkedBlockingQueue；
newCachedThreadPool将corePoolSize设置为0，将maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，使用的SynchronousQueue，也就是说来了任务就创建线程运行，当线程空闲超过60秒，就销毁线程。
实际使用中，如果Executors提供的三个静态方法能满足要求，就尽量使用它提供的三个方法，因为自己去手动配置ThreadPoolExecutor的参数有点麻烦，要根据实际任务的类型和数量来进行配置。
另外，如果ThreadPoolExecutor达不到要求，可以自己继承ThreadPoolExecutor类并重写里面的方法。
最后，我们再讨论下如何合理配置线程池的大小？
一般情况下，我们需要根据任务的类型来配置线程池大小：
如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1
如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU
当然，上述建议只是参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。
