深入详解Java线程池——Executor框架-阿里云开发者社区

在Java中，使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销，如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行，这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时，为每一个任务创建一个新线程来执行，这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。

Java的线程既是工作单元，也是执行机制。从JDK5开始，把工作单元与执行机制分离开来。工作单元包括Runnable和Callable，而执行机制由Executor框架提供。

1. 框架简介

1.1 Executor框架的两级调度模型

Java线程（java.lang.Thread）被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

1.2 Executor框架的结构与成员

1.Executor框架的结构

（1）任务。包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口。

（2）任务的执行。包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的 ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）。

（3）异步计算的结果。包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

2.Executor框架包含的主要的类与接口

（1）Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。

（2）ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。

（3）ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更灵活，功能更强大。

（4）Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。

（5）Runnable接口和Callable接口的实现类

3.Executor框架的使用：

（1）首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象（Executors.callable（Runnable task）或 Executors.callable（Runnable task，Object resule））。

（2）然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行（ExecutorService.execute（Runnable command））；或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行（ExecutorService.submit（Runnable task）或ExecutorService.submit（Callabletask））。

（3）如果执行ExecutorService.submit（…），ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象（到目前为止的JDK中，返回的是FutureTask对象）。由于FutureTask实现了Runnable，程序员也可以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。

（4）最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行 FutureTask.cancel（boolean mayInterruptIfRunning）来取消此任务的执行。

4. Executor框架的成员

Executor框架的主要成员：ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、 Future接口、Runnable接口、Callable接口和Executors。

（1）ThreadPoolExecutor：ThreadPoolExecutor可以使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建3种类型的 ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。或者也可以自己创建。详解SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。

FixedThreadPool：创建使用固定线程数的FixedThreadPool的 API，适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。
SingleThreadExecutor：创建使用单个线程的SingleThreadExecutor的API，适用于需要保证顺序地执行各个任务；并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景。
CachedThreadPool：创建一个会根据需要创建新线程的 CachedThreadPool的API，是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。

（2）ScheduledThreadPoolExecutor：通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建2种类型的ScheduledThreadPoolExecutor，包括

ScheduledThreadPoolExecutor：包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。ScheduledThreadPoolExecutor适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。
SingleThreadScheduledExecutor：只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。SingleThreadScheduledExecutor适用于需要单个后台线程执行周期任务，同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。

（3）Future接口：Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable 接口或Callable接口的实现类提交（submit）给ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向我们返回一个FutureTask对象。但是，在API中返回的是一个 FutureTask对象，Java仅仅保证返回的是一个实现了Future接口的对象。在将来的JDK实现中，返回的可能不一定是FutureTask。

（4）Runnable接口和Callable接口：Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结果。除了可以自己创建实现Callable接口的对象外，还可以使用工厂类Executors的方法来把一个 Runnable包装成一个Callable。

//把一个Runnable包装成一个Callable
public static Callable<Object> callable(Runnable task) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<Object>(task, null);
    }
//一个Runnable和一个待返回的结果包装成一个Callable
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }

2. ThreadPoolExecutor三种扩展类详解

关于ThreadPoolExecutor详细参考https://my.oschina.net/u/3352298/blog/1811255

2.1 FixedThreadPool详解

FixedThreadPool被称为可重用固定线程数的线程池。下面是FixedThreadPool的源代码实现。

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

FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime为多余的空闲线程等待新任务的最长时间，超过这个时间后多余的线程将被终止。这里把keepAliveTime设置为0L，意味着多余的空闲线程会被立即终止。

execute方法执行流程为：

1）如果当前运行的线程数少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务。

2）当前运行的线程数等于或大于corePoolSize时，将任务加入 LinkedBlockingQueue。

3）线程执行完1中的任务后，会在循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。 FixedThreadPool使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为 Integer.MAX_VALUE）。

如果使用无界队列会带来如下影响：

1）当线程池中的线程数达到corePoolSize后，新任务将在无界队列中等待，因此线程池中的线程数不会超过corePoolSize。

2）由于1，使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数。

3）由于1和2，使用无界队列时keepAliveTime将是一个无效参数。

4）由于使用无界队列，运行中的FixedThreadPool（未执行方法shutdown()或 shutdownNow()）不会拒绝任务（不会调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法）。

2.2 SingleThreadExecutor详解

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor。下面是SingleThreadExecutor的源代码实现。

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

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与 FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列的容量为Integer.MAX_VALUE）。SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同。

2.3 CachedThreadPool详解

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。下面是创建CachedThreadPool的源代码。

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

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0，即corePool为空；maximumPoolSize被设置为 Integer.MAX_VALUE，即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L，意味着 CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，空闲线程超过60秒后将会被终止。

CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列，但
CachedThreadPool的maximumPool是无界的。这意味着，如果主线程提交任务的速度高于
maximumPool中线程处理任务的速度时，CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下，
CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。

执行流程：

首先执行SynchronousQueue.offer（Runnable task）。如果当前maximumPool中有空闲线程正在执行SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS），那么主线程执行 offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行，execute()方法执行完成；否则执行下面的步骤2）。
当初始maximumPool为空，或者maximumPool中当前没有空闲线程时，将没有线程执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这种情况下，步骤1）将失败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务，execute()方法执行完成。
在步骤2）中新创建的线程将任务执行完后，会执行 SynchronousQueue.poll（keepAliveTime，TimeUnit.NANOSECONDS）。这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60秒钟。如果60秒钟内主线程提交了一个新任务（主线程执行步骤1）），那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务；否则，这个空闲线程将终止。由于空闲60秒的空闲线程会被终止，因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。

前面提到过，SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。CachedThreadPool使用SynchronousQueue，把主线程提交的任务传递给空闲线程执行。

3. ScheduledThreadPoolExecutor详解

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但 ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程，而 ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

3.1运行机制

ScheduledThreadPoolExecutor的执行主要分为两大部分。首先调用ScheduledThreadPoolExecutor的scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时，会向ScheduledThreadPoolExecutor的DelayQueue添加一个实现了 RunnableScheduledFutur接口的ScheduledFutureTask。接着线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask，然后执行任务。

ScheduledThreadPoolExecutor为了实现周期性的执行任务，对ThreadPoolExecutor做了一些修改。

使用DelayQueue作为任务队列。
获取任务的方式不同。
执行周期任务后，增加了额外的处理

3.2 ScheduledThreadPoolExecutor的实现

1.ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中。而ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量，long型成员变量time，表示这个任务将要被执行的具体时间。long型成员变量sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。long型成员变量period，表示任务执行的间隔周期。

2.DelayQueue封装了一个PriorityQueue，这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。排序时，time小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个 ScheduledFutureTask的time相同，就比较sequenceNumber，sequenceNumber小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

3.ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行周期任务的过程：

（1）线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()）。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间。

（2）线程1执行这个ScheduledFutureTask。

（3）线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间。

（4）线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中（DelayQueue.add()）。

4.DelayQueue.take()的执行步骤：

public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                for (;;) {
                    RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
                    if (first == null)
                        available.await();
                    else {
                        long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                        if (delay <= 0)
                            return finishPoll(first);
                        first = null; // don't retain ref while waiting
                        if (leader != null)
                            available.await();
                        else {
                            Thread thisThread = Thread.currentThread();
                            leader = thisThread;
                            try {
                                available.awaitNanos(delay);
                            } finally {
                                if (leader == thisThread)
                                    leader = null;
                            }
                        }
                    }
                }
            } finally {
                if (leader == null && queue[0] != null)
                    available.signal();
                lock.unlock();
            }
        }

（1）获取lock锁

（2）获取周期任务。这一步包括

如果PriorityQueue为空，当前线程到Condition中等待；否则执行下一步
如果PriorityQueue的头元素的time时间比当前时间大，到Condition中等待到time时间；否则执行下一步
获取PriorityQueue的头元素；如果PriorityQueue不为空，则唤醒在Condition中等待的所有线程

（3）释放Lock。

ScheduledThreadPoolExecutor在一个循环中执行步骤2，直到线程从PriorityQueue获取到一个元素之后，才会退出无限循环（结束步骤2）。

5.DelayQueue.add()的执行步骤：

//add方法中调用offer方法
public boolean offer(Runnable x) {
            if (x == null)
                throw new NullPointerException();
            RunnableScheduledFuture<?> e = (RunnableScheduledFuture<?>)x;
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
                int i = size;
                if (i >= queue.length)
                    grow();
                size = i + 1;
                if (i == 0) {
                    queue[0] = e;
                    setIndex(e, 0);
                } else {
                    siftUp(i, e);
                }
                if (queue[0] == e) {
                    leader = null;
                    available.signal();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
            return true;
        }

添加任务分为3大步骤：

（1）获取Lock。

（2）添加任务。

向PriorityQueue添加任务。
如果添加的任务是PriorityQueue的头元素，唤醒在Condition中等待的所有线程。

3）释放Lock。

4. FutureTask详解

4.1 FutureTask简介

Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。FutureTask除了实现Future接口外，还实现了Runnable接口。因此，FutureTask可以交给 Executor执行，也可以由调用线程直接执行（FutureTask.run()）。根据FutureTask.run()方法被执行的时机，FutureTask处于下面3种状态。

未启动：FutureTask.run()方法还没有被执行之前，FutureTask处于未启动状态。当创建一个FutureTask，且没有执行FutureTask.run()方法之前，这个FutureTask处于未启动状态。
已启动（正在运行中）。FutureTask.run()方法被执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。
已完成。FutureTask.run()方法执行完后正常结束，或被取消（FutureTask.cancel（…）），或执行FutureTask.run()方法时抛出异常而异常结束，FutureTask处于已完成状态。

//jdk1.8 源码细分为以下7中状态
private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;
    private static final int COMPLETING   = 1;
    private static final int NORMAL       = 2;
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
    private static final int CANCELLED    = 4;
    private static final int INTERRUPTING = 5;
    private static final int INTERRUPTED  = 6;

当FutureTask处于未启动或已启动状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞；

当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或抛出异常。

当FutureTask处于未启动状态时，执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会被执行；

当FutureTask处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel（true）方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务；

当FutureTask处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel（false）方法将不会对正在执行此任务的线程产生影响（让正在执行的任务运行完成）；

当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.cancel（…）方法将返回false。

4.2 FutureTask的使用

可以把FutureTask交给Executor执行；也可以通过ExecutorService.submit（…）方法返回一个 FutureTask，然后执行FutureTask.get()方法或FutureTask.cancel（…）方法。除此以外，还可以单独使用FutureTask，注意利用其run方法和get方法的特性，只有一个FutureTask对象run方法执行完毕后get方法才能返回，否则将会阻塞，利用这一点可以实现与等待/通知机制相同的作用。

4.3 FutureTask的底层实现

FutureTask的实现基于抽象类AbstractQueuedSynchronizer（以下简称为AQS）。java.util.concurrent中的很多可阻塞类（比如ReentrantLock）都是基于AQS来实现的。AQS是一个同步框架，它提供通用机制来原子性管理同步状态、阻塞和唤醒线程，以及维护被阻塞线程的队列。JDK 6中AQS 被广泛使用，基于AQS实现的同步器包括：ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch和FutureTask。

每一个基于AQS实现的同步器都会包含两种类型的操作：

至少一个acquire操作。这个操作阻塞调用线程，除非/直到AQS的状态允许这个线程继续执行。FutureTask的acquire操作为get()/get（long timeout，TimeUnit unit）方法调用。

至少一个release操作。这个操作改变AQS的状态，改变后的状态可允许一个或多个阻塞线程被解除阻塞。FutureTask的release操作包括run()方法和cancel（…）方法。

注意：《Java并发编程的艺术》这里所说并不能用于所有jdk版本，我在查看jdk1.8源码发现 FutureTask的实现并没有基于抽象类AbstractQueuedSynchronizer，而是基于LockSupport中的park()与unpark()方法实现的，并且通过一个内置的链表类WaitNode来存储管理所有被get()方法阻塞的线程。因此，我在这里便仅对jdk1.8的实现进行一些分析。而基于抽象类AbstractQueuedSynchronizer可自行参考Semaphore类中的源码，在此不再进行赘述。

1.首先是保存管理所有被get方法阻塞的线程，通过链表结构来管理。

static final class WaitNode {
        volatile Thread thread;
        volatile WaitNode next;
        WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
    }
/** 阻塞线程链表，或者说是一个栈，遵循先进后出 */
    private volatile WaitNode waiters;

2.接下来我们查看get方法的源码，查看其如何实现阻塞

 public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }

    public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        if (unit == null)
            throw new NullPointerException();
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING &&
            (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
            throw new TimeoutException();
        return report(s);
    }

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }

            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            else if (q == null)
                q = new WaitNode();
            else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) {
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

get方法实现的执行步骤为：

（1）首先判断当前FutureTask是否处于运行中或未运行状态时，是则调用awaitDone方法进行阻塞进行下一步。否则返回任务计算结果。

（2）awaitDone方法中首先判断当前线程是否被中断，是则抛出异常返回，awaitDone方法停止阻塞。否则进行下一步。

（3）判断FutureTask任务是否处于完成状态，如果处于完成状态且在上一次循环中给与阻塞线程节点q赋予对象时，则将q引用置为null，且返回当前状态值s，awaitDone方法停止阻塞。否则进行下一步。

（4）是否FutureTask任务处于运行状态，是则继续阻塞。否则进行下一步。

（5）如果阻塞线程节点对象为null，则对引用q赋予阻塞线程节点对象。否则进行下一步

（6）是否将当前被阻塞线程加入到链表中，如果没有则加入链表并返回给queued为true，如果已经加入则执行下一步。

（7）调用park(Object)方法阻塞当前线程，直到unpark(Thread t)方法来解除阻塞。或使用parkNanos(Object blocker, long nanos)来进行超时阻塞，超过规定时间则返回state或调用unpark(Thread t)方法解除阻塞。

（8）重复2-7步，直到该方法return 解除阻塞

3.run方法与cancle方法则要简单许多，run方法执行完毕后或cancle方法中断当前线程后，都会调用finishCompletion()方法。finishCompletion()方法会遍历阻塞线程链表，删除所有节点并且解除所有节点中的线程的阻塞状态然后返回。

深入详解Java线程池——Executor框架