1 使用

线程池使用池化技术，通过重复使用线程，避免了重复创建线程的资源浪费。

首先，我们需要在全局创建ThreadPoolExecutor对象，可以通过静态变量，也可以通过Spring单例对象。

然后，在业务调用处，创建任务并提交到线程池。

最后，为了安全考虑，在应用程序关闭时往往需要通过钩子函数，手动关闭线程池。

实例代码如下：

BlockingQueue<Runnable> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);  
        ThreadFactory threadFactory = Executors.defaultThreadFactory();  
        RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler = new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy();  
        // 1、创建线程池  
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(  
                3,  
                6,  
                1,  
                TimeUnit.SECONDS,  
                blockingQueue,  
                threadFactory,  
                rejectedExecutionHandler);  
        // 2、创建任务  
        Runnable task = new Runnable() {  
            @Override  
            public void run() {  
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run()");  
                try {  
                    Thread.sleep(500);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        };  
        // 3、提交任务  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            threadPoolExecutor.submit(task);  
        }  
        // 4、关闭线程池  
        threadPoolExecutor.shutdown();  
//        threadPoolExecutor.shutdownNow();

2 理论

线程池的核心逻辑结构包括：

• 核心工作线程：corePoolSize
• 任务队列：workQueue
• 额外工作线程：maximumPoolSize
• 拒绝策略：handler

在线程池正常工作过程中，如果提交一个新任务，会按照以下流程执行：

1. 如果核心工作线程未满：创建核心工作线程执行任务。
2. 如果核心工作线程已满：新任务添加到任务队列。
3. 如果核心工作线程已满，且任务队列已满：新增额外工作线程。
4. 如果任务队列已满，且额外工作线程已满：执行拒绝策略。

工作线程不仅仅会执行一个任务，它会循环获取队列中的任务进行执行，从而达到重用线程的功能。

在线程池正常工作过程中，如果长时间没有新任务，会根据策略剔除多余的工作线程。

线程池会将任务封装成RunnableFuture，如果有返回值，可以直接通过java.util.concurrent.Future#get()方法获取。

3 源码

3.1 提交任务

AbstractExecutorService#submit()提交任务，可以根据返回值获取任务的执行结果：

public Future<?> submit(Runnable task) {  
    // 空值校验
    if (task == null) throw new NullPointerException();  
    // 创建任务
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);  
    // 执行任务
    execute(ftask);  
    return ftask;  
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {  
    // 空值校验
    if (task == null) throw new NullPointerException();  
    // 创建任务
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);  
    // 执行任务
    execute(ftask);  
    return ftask;  
}

AbstractExecutorService#newTaskFor()创建ftask任务：

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {  
    return new FutureTask<T>(runnable, value);  
}

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {  
    return new FutureTask<T>(callable);  
}

ThreadPoolExecutor#execute()执行任务，正常情况包括以下流程：

1. 如果核心工作线程未满：创建核心工作线程执行任务。
2. 如果核心工作线程已满：新任务添加到任务队列。
3. 如果核心工作线程已满，且任务队列已满：新增额外工作线程。
4. 如果任务队列已满，且额外工作线程已满：执行拒绝策略。

ThreadPoolExecutor#execute()：

public void execute(Runnable command) {  
    // 控制校验
    if (command == null) throw new NullPointerException();  
    int c = ctl.get();  
    // 1、工作线程数 < corePoolSize：新建核心线程，并执行
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {  
        if (addWorker(command, true))  
            return;  
        c = ctl.get();  
    }  
    // 2、工作线程数 >= corePoolSize && 线程池未停止 && 任务队列未满：添加到任务队列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {  
        int recheck = ctl.get();  
        // 线程池停止 && 从任务队列中移除任务：执行拒绝策略
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))  
            reject(command);  
        // 工作线程数 == 0（核心线程数可能设置未0）：新建额外线程，并执行
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)  
            addWorker(null, false);  
    }  
    // 3、工作线程数 >= corePoolSize && 任务队列已满：新建额外线程，并执行
    else if (!addWorker(command, false))  
        // 最大线程数已满：执行拒绝策略
        reject(command);  
}

3.2 创建工作线程

ThreadPoolExecutor#addWorker()会根据当前工作线程数量以及core实参，创建和启动工作线程：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {  
    retry:  // 循环标签
    for (;;) {  
        int c = ctl.get();  
        int rs = runStateOf(c);  
  
        // Check if queue empty only if necessary.  
        if (rs >= SHUTDOWN &&  
            ! (rs == SHUTDOWN &&  
               firstTask == null &&  
               ! workQueue.isEmpty()))  
            return false;  
  
        for (;;) {  
            int wc = workerCountOf(c);  
            // 工作线程数大于最大容量（corePoolSize或maximumPoolSize）：返回false
            if (wc >= CAPACITY ||  
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))  
                return false;  
            // CAS操作：工作线程数+1（成功会跳出外层循环）
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))  
                break retry;  
            c = ctl.get();  // Re-read ctl  
            // CAS操作失败 && 工作线程状态不一致：继续外层循环
            if (runStateOf(c) != rs)  
                continue retry;  
            // CAS操作失败：继续内层循环
        }  
    }  
  
    boolean workerStarted = false;  
    boolean workerAdded = false;  
    Worker w = null;  
    try {  
        // 新建Worker
        w = new Worker(firstTask);  
        final Thread t = w.thread;  
        if (t != null) {  
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
            mainLock.lock();  
            try {  
                // Recheck while holding lock.  
                // Back out on ThreadFactory failure or if                
                // shut down before lock acquired.                
                int rs = runStateOf(ctl.get());  
  
                if (rs < SHUTDOWN ||  
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {  
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable  
                        throw new IllegalThreadStateException();  
                    // 添加到Worker集合
                    workers.add(w);  
                    int s = workers.size();  
                    if (s > largestPoolSize)  
                        largestPoolSize = s;  
                    workerAdded = true;  
                }  
            } finally {  
                mainLock.unlock();  
            }  
            if (workerAdded) {  
                // 启动工作线程
                t.start();  
                workerStarted = true;  
            }  
        }  
    } finally {  
        if (! workerStarted)  
            addWorkerFailed(w);  
    }  
    return workerStarted;  
}

3.3 拒绝策略

当线程池正常运行时，如果任务队列已满，并且额外工作线程也达到了最大数量，此时提交新任务会被拒绝。

当线程池正在停止或已经停止，此时提交新任务也会被拒绝。

ThreadPoolExecutor#reject()方法是执行拒绝策略的入口，不同拒绝策略会调用对应的实现类方法：

final void reject(Runnable command) {  
    handler.rejectedExecution(command, this);  
}

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy#rejectedExecution()会抛出异常：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
    throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +  
                                         " rejected from " +  
                                         e.toString());  
}

ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy#rejectedExecution()会使用当前线程执行任务：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
    // 如果线程池没有停止
    if (!e.isShutdown()) {  
        // 直接执行run()方法，即使用当前线程执行任务
        r.run();  
    }  
}

ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy#rejectedExecution()会先移除队列头的任务，然后执行当前任务：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
    // 如果线程池没有停止
    if (!e.isShutdown()) {  
        // 移除队列头最老的任务
        e.getQueue().poll();  
        // 执行当前任务
        e.execute(r);  
    }  
}

ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy#rejectedExecution()会丢弃当前任务：

public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {  
}

3.4 执行工作线程

ThreadPoolExecutor使用Worker对线程进行了封装。

在创建工作线程（ThreadPoolExecutor#addWorker()）时，会执行Worker#Worker()构造函数，将Work作为Runnable任务注入线程：

Worker(Runnable firstTask) {  
    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker  
    this.firstTask = firstTask;  
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);  
}

后续在启动工作线程时，实际上会执行ThreadPoolExecutor.Worker#run()方法：

public void run() {  
    runWorker(this);  
}

实际业务位于ThreadPoolExecutor#runWorker()，它会循环获取队列中的任务进行执行。如果队列中没有新的任务，它会根据存活策略，结束当前线程：

final void runWorker(Worker w) {  
    Thread wt = Thread.currentThread();  
    Runnable task = w.firstTask;  // 获取当前开发人员提交的任务
    w.firstTask = null;  // 清空任务
    w.unlock(); // allow interrupts  
    boolean completedAbruptly = true;  
    try {  
        // 循环执行
        // 1、如果task存在，执行task
        // 2、否则，获取队列中任务task，如果存在，执行task
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {  
            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 {  
                beforeExecute(wt, task);  
                Throwable thrown = null;  
                try {  
                    // 在work线程中执行task的run()方法
                    task.run();  
                } catch (RuntimeException x) {  
                    thrown = x; throw x;  
                } catch (Error x) {  
                    thrown = x; throw x;  
                } catch (Throwable x) {  
                    thrown = x; throw new Error(x);  
                } finally {  
                    afterExecute(task, thrown);  
                }  
            } finally {  
                task = null;  
                w.completedTasks++;  
                w.unlock();  
            }  
        }  
        completedAbruptly = false;  
    } finally {  
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);  
    }  
}

3.5 工作线程存活策略

线程池在执行任务过程中，把队列中的所有任务都执行完了，并且在一段时间内都没有提交新任务。

如果此时线程池中还有多余的工作线程，会考虑将它们剔除，避免占用CPU资源。

工作线程是否需要剔除，主要有两个阶段的存活策略：

1. 在从队列中获取任务时，会根据设置阻塞等待一定时间。如果超时都没有新任务，那么会返回空，跳出执行任务的循环。
2. 跳出循环后，会判断工作线程数量是否小于最小工作线程容忍数量，进行剔除或替换。

3.5.1 getTask中的线程存活策略

当worker启动后，会在工作线程中循环执行firstTask和workQueue中的任务。

在获取workQueue中的任务时，会判断当前线程是否需要剔除：

1. 剔除情况一：开启allowCoreThreadTimeOut功能。
2. 剔除情况二：工作线程数 > 核心线程数。

如果上述条件满足，会从workQueue中获取任务（阻塞等待keepAliveTime纳秒）：

workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);

如果在keepAliveTime时间内，队列中都没有多余的任务，那么就会设置线程过期：

timedOut = true;

随后统计工作线程数，并退出获取任务的循环：

if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))  
    && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {  
    if (compareAndDecrementWorkerCount(c))  
        return null;  
    continue;  
}

具体源码位于ThreadPoolExecutor#getTask()方法（标注了各种可能的执行顺序）：

private Runnable getTask() {  
    // 0、设置timeOut标志为false
    boolean timedOut = false;
  
    for (;;) {  
        // 2、获取当前线程状态
        // 9、获取当前线程状态
        int c = ctl.get();  
        int rs = runStateOf(c);  
  
        // 主要于线程池关闭有关，这里不过多考虑
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {  
            decrementWorkerCount();  
            return null;  
        }  
  
        // 3、获取当前工作线程数量
        // 10、获取当前工作线程数量
        int wc = workerCountOf(c);  
  
        // 4、判断是否开启线程过期功能：开启核心线程过期功能 || 存在非核心线程
        // 11、判断是否开启线程过期功能：开启核心线程过期功能 || 存在非核心线程
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;  
  
        // 5、正常情况下，第一次进入总是false（因为timedOut为false）
        // 12、线程过期&(工作线程数量>1或任务队列为空)：计算工作线程数，并返回
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))  
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {  
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))  
                return null;  
            continue;  
        }  
  
        try {  
            // 6、开启线程过期功能：workQueue.poll()，阻塞keepAliveTime纳秒
            // 没有开启线程过期功能：workQueue.take()，一直阻塞
            // 13、如果此时(工作线程数量=1&任务队列不为空)：将新任务交给当前线程去执行
            Runnable r = timed ?  
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :  
                workQueue.take();  
            // 7、任务不为空：返回任务
            // 14、返回新任务
            if (r != null)  
                return r;  
            // 8、任务为空（开启线程过期功能）：设置timedOut为true，进入下一次循环
            timedOut = true;  
        } catch (InterruptedException retry) {  
            timedOut = false;  
        }  
    }  
}

3.5.2 processWorkerExit中的线程存活策略

当上述ThreadPoolExecutor#getTask()方法获取不到任务时，会跳出worker执行任务的循环，在finally代码块中执行ThreadPoolExecutor#processWorkerExit()方法。

在processWorkerExit()方法中，会对当前线程的工作情况进行汇总，然后根据线程池的工作线程情况进行判断：真正剔除当前线程，或者新建一个替换线程。

简单来说，会计算当前线程池能够容忍的最小工作线程数量：

1. 如果当前工作线程数量 >= 最小工作线程数量：剔除当前线程。
2. 如果当前工作线程数量 < 最小工作线程数量：剔除当前线程，但是会一个新增工作线程用作替代。

ThreadPoolExecutor#processWorkerExit()：

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {  
    // 线程池中断的情况，这里不过多考虑
    if (completedAbruptly)
        decrementWorkerCount();  
  
    // 汇总当前线程的任务完成数量，从workers中移除当前worker
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
    mainLock.lock();  
    try {  
        completedTaskCount += w.completedTasks;  
        workers.remove(w);  
    } finally {  
        mainLock.unlock();  
    }  
  
    // 终止当前线程
    tryTerminate();  
  
    // 判断当前线程池的工作线程情况
    int c = ctl.get();  
    if (runStateLessThan(c, STOP)) {  
        if (!completedAbruptly) {  
            // 工作线程的最小数量
            int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;  
            // 如果任务队列不为空，至少需要留一个工作线程
            if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())  
                min = 1;  
            // 如果当前工作线程数量 >= 最小数量：剔除当前工作线程（实际上就是不操作，让它走完run方法）
            if (workerCountOf(c) >= min)  
                return; // replacement not needed  
        }  
        // 如果当前工作线程数量 < 最小数量：新增一个work，用来替换当前工作线程
        addWorker(null, false);  
    }  
}

3.6 停止线程池

在线程池执行过程中，如果遇到需要停止应用程序的场景，首先需要将线程池正确地停止。

ExecutorService提供了两种关闭方法：

1. shutdown()：等到队列中地所有任务都执行完成后才关闭线程池，速度慢但安全。
2. shutdownNow()：强行关闭线程池，任务可能在执行到一半时被结束，速度快但不安全。

ThreadPoolExecutor#shutdown()会将线程池状态设为SHUTDOWN，不再接收新任务，但是已提交任务会继续执行：

public void shutdown() {  
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
    mainLock.lock();  
    try {  
        // 检查关闭权限
        checkShutdownAccess();  
        // 设置线程池状态为SHUTDOWN
        advanceRunState(SHUTDOWN);  
        // 中断工作线程
        interruptIdleWorkers();  
        onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor  
    } finally {  
        mainLock.unlock();  
    }  
    // 终止线程池
    tryTerminate();  
}

例如，在ThreadPoolExecutor#addWorker()过程中，会直接返回false：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {  
    retry:  
    for (;;) {  
        int c = ctl.get();  
        int rs = runStateOf(c);  
  
        // Check if queue empty only if necessary.  
        if (rs >= SHUTDOWN &&  
            ! (rs == SHUTDOWN &&  
               firstTask == null &&  
               ! workQueue.isEmpty()))  
            return false;
        }
        // ……
    }
}

ThreadPoolExecutor#shutdownNow()会将线程池状态设为STOP，不再接收新任务，同时会打断正在运行地工作线程：

public List<Runnable> shutdownNow() {  
    List<Runnable> tasks;  
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
    mainLock.lock();  
    try {  
        // 检查关闭权限
        checkShutdownAccess();  
        // 设置线程池状态为STOP
        advanceRunState(STOP);  
        // 中断工作线程
        interruptWorkers();  
        // 获取未执行任务
        tasks = drainQueue();  
    } finally {  
        mainLock.unlock();  
    }  
    // 终止线程池
    tryTerminate();  
    return tasks;  
}

在ThreadPoolExecutor#runWorker()过程中，会触发中断机制：

final void runWorker(Worker w) {  
    // ……
    try {  
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {  
            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();  
            // ……
        }  
        completedAbruptly = false;  
    } finally {  
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);  
    }  
}

后续不会再获取新任务，ThreadPoolExecutor#getTask()：

private Runnable getTask() {  
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?  
    for (;;) {  
        int c = ctl.get();  
        int rs = runStateOf(c);  
        // Check if queue empty only if necessary.  
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {  
            decrementWorkerCount();  
            return null;  
        }  
        // ……
    }  
}

在上述两种情况下，如果线程池中只存在核心工作线程，并且此时任务队列为空，线程会一直阻塞在ThreadPoolExecutor#getTask()方法中：

try {  
    Runnable r = workQueue.take();  
    if (r != null)  
        return r;  
    timedOut = true;  
} catch (InterruptedException retry) {  
    timedOut = false;  
}

此时，通过ThreadPoolExecutor#shutdownNow()或ThreadPoolExecutor#runWorker()中断线程，会抛出InterruptedException异常，在下次循环中就不再从队列中获取任务，从而停止当前线程。