死磕 java线程系列之线程池深入解析——体系结构

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注：java源码分析部分如无特殊说明均基于 java8 版本。

简介

Java的线程池是块硬骨头，对线程池的源码做深入研究不仅能提高对Java整个并发编程的理解，也能提高自己在面试中的表现，增加被录取的可能性。

本系列将分成很多个章节，本章作为线程池的第一章将对整个线程池体系做一个总览。

体系结构

上图列举了线程池中非常重要的接口和类：

（1）Executor，线程池顶级接口；

（2）ExecutorService，线程池次级接口，对Executor做了一些扩展，增加一些功能；

（3）ScheduledExecutorService，对ExecutorService做了一些扩展，增加一些定时任务相关的功能；

（4）AbstractExecutorService，抽象类，运用模板方法设计模式实现了一部分方法；

（5）ThreadPoolExecutor，普通线程池类，这也是我们通常所说的线程池，包含最基本的一些线程池操作相关的方法实现；

（6）ScheduledThreadPoolExecutor，定时任务线程池类，用于实现定时任务相关功能；

（7）ForkJoinPool，新型线程池类，java7中新增的线程池类，基于工作窃取理论实现，运用于大任务拆小任务、任务无限多的场景；

（8）Executors，线程池工具类，定义了一些快速实现线程池的方法（谨慎使用）；

Executor

线程池顶级接口，只定义了一个执行无返回值任务的方法。

public interface Executor {
    // 执行无返回值任务【本篇文章由“彤哥读源码”原创】
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

线程池次级接口，对Executor做了一些扩展，主要增加了关闭线程池、执行有返回值任务、批量执行任务的方法。

public interface ExecutorService extends Executor {
    // 关闭线程池，不再接受新任务，但已经提交的任务会执行完成
    void shutdown();

    // 立即关闭线程池，尝试停止正在运行的任务，未执行的任务将不再执行
    // 被迫停止及未执行地的任务将以列表的形式返回
    List<Runnable> shutdownNow();

    // 检查线程池是否已关闭
    boolean isShutdown();

    // 检查线程池是否已终止，只有在shutdown()或shutdownNow()之后调用才有可能为true
    boolean isTerminated();
    
    // 在指定时间内线程池达到终止状态了才会返回true
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    
    // 执行有返回值的任务，任务的返回值为task.call()的结果
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    // 执行有返回值的任务，任务的返回值为这里传入的result
    // 当然只有当任务执行完成了调用get()时才会返回
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
    
    // 执行有返回值的任务，任务的返回值为null
    // 当然只有当任务执行完成了调用get()时才会返回
    Future<?> submit(Runnable task);

    // 批量执行任务，只有当这些任务都完成了这个方法才会返回
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;

    // 在指定时间内批量执行任务，未执行完成的任务将被取消
    // 这里的timeout是所有任务的总时间，不是单个任务的时间
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    
    // 返回任意一个已完成任务的执行结果，未执行完成的任务将被取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    // 在指定时间内如果有任务已完成，则返回任意一个已完成任务的执行结果，未执行完成的任务将被取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

ScheduledExecutorService

对ExecutorService做了一些扩展，增加一些定时任务相关的功能，主要包含两大类：执行一次，重复多次执行。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    // 在指定延时后执行一次
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);
    // 在指定延时后执行一次
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);
                                           
    // 在指定延时后开始执行，并在之后以指定时间间隔重复执行（间隔不包含任务执行的时间）
    // 相当于之后的延时以任务开始计算【本篇文章由“彤哥读源码”原创】
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    // 在指定延时后开始执行，并在之后以指定延时重复执行（间隔包含任务执行的时间）
    // 相当于之后的延时以任务结束计算
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

AbstractExecutorService

抽象类，运用模板方法设计模式实现了一部分方法，主要为执行有返回值任务、批量执行任务的方法。

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {

    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);
    }

    public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 略...
    }

    public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                           long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        // 略...
    }

    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException {
        // 略...
    }

    public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                         long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        // 略...
    }

}

可以看到，这里的submit()方法对传入的任务都包装成了FutureTask来进行处理，这是什么东西呢？欢迎关注后面的章节。

ThreadPoolExecutor

普通线程池类，这也是我们通常所说的线程池，包含最基本的一些线程池操作相关的方法实现。

线程池的主要实现逻辑都在这里面，比如线程的创建、任务的处理、拒绝策略等，我们后面单独分析这个类。

ScheduledThreadPoolExecutor

定时任务线程池类，用于实现定时任务相关功能，将任务包装成定时任务，并按照定时策略来执行，我们后面单独分析这个类。

问题：你知道定时任务线程池类使用的是什么队列吗？

ForkJoinPool

新型线程池类，java7中新增的线程池类，这个线程池与Go中的线程模型特别类似，都是基于工作窃取理论，特别适合于处理归并排序这种先分后合的场景。

Executors

线程池工具类，定义了一系列快速实现线程池的方法——newXXX()，不过阿里手册是不建议使用这个类来新建线程池的，彤哥我并不这么认为，只要能掌握其源码，知道其利敝偶尔还是可以用的，后面我们再来说这个事。

彩蛋

无彩蛋不欢，今天的问题是定时任务线程池用的是哪种队列来实现的？

答：延时队列。定时任务线程池中并没有直接使用并发集合中的DelayQueue，而是自己又实现了一个DelayedWorkQueue，不过跟DelayQueue的实现原理是一样的。

延时队列使用什么数据结构来实现的呢？

答：堆（DelayQueue中使用的是优先级队列，而优先级队列使用的堆；DelayedWorkQueue直接使用的堆）。

关于延时队列、优先级队列和堆的相关内容可以点击下面链接查看：

https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/tree/master/source/threadpool01