死磕 java線程系列之線程池深入解析——體系結構

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注：java源碼分析部分如無特殊說明均基于 java8 版本。

簡介

Java的線程池是塊硬骨頭，對線程池的源碼做深入研究不僅能提高對Java整個并發編程的理解，也能提高自己在面試中的表現，增加被錄取的可能性。

本系列將分成很多個章節，本章作為線程池的第一章將對整個線程池體系做一個總覽。

體系結構

上圖列舉了線程池中非常重要的接口和類：

（1）Executor，線程池頂級接口；

（2）ExecutorService，線程池次級接口，對Executor做了一些擴展，增加一些功能；

（3）ScheduledExecutorService，對ExecutorService做了一些擴展，增加一些定時任務相關的功能；

（4）AbstractExecutorService，抽象類，運用模板方法設計模式實現了一部分方法；

（5）ThreadPoolExecutor，普通線程池類，這也是我們通常所說的線程池，包含最基本的一些線程池操作相關的方法實現；

（6）ScheduledThreadPoolExecutor，定時任務線程池類，用于實現定時任務相關功能；

（7）ForkJoinPool，新型線程池類，java7中新增的線程池類，基于工作竊取理論實現，運用于大任務拆小任務、任務無限多的場景；

（8）Executors，線程池工具類，定義了一些快速實現線程池的方法（謹慎使用）；

Executor

線程池頂級接口，只定義了一個執行無返回值任務的方法。

public interface Executor {
    // 執行無返回值任務，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

線程池次級接口，對Executor做了一些擴展，主要增加了關閉線程池、執行有返回值任務、批量執行任務的方法。

public interface ExecutorService extends Executor {
    // 關閉線程池，不再接受新任務，但已經提交的任務會執行完成
    void shutdown();

    // 立即關閉線程池，嘗試停止正在運行的任務，未執行的任務將不再執行
    // 被迫停止及未執行的任務將以列表的形式返回
    List<Runnable> shutdownNow();

    // 檢查線程池是否已關閉
    boolean isShutdown();

    // 檢查線程池是否已終止，只有在shutdown()或shutdownNow()之后調用才有可能為true
    boolean isTerminated();

    // 在指定時間內線程池達到終止狀態了才會返回true
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    // 執行有返回值的任務，任務的返回值為task.call()的結果
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    // 執行有返回值的任務，任務的返回值為這里傳入的result
    // 當然只有當任務執行完成了調用get()時才會返回
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    // 執行有返回值的任務，任務的返回值為null
    // 當然只有當任務執行完成了調用get()時才會返回
    Future<?> submit(Runnable task);

    // 批量執行任務，只有當這些任務都完成了這個方法才會返回
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;

    // 在指定時間內批量執行任務，未執行完成的任務將被取消
    // 這里的timeout是所有任務的總時間，不是單個任務的時間
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    // 返回任意一個已完成任務的執行結果，未執行完成的任務將被取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    // 在指定時間內如果有任務已完成，則返回任意一個已完成任務的執行結果，未執行完成的任務將被取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

ScheduledExecutorService

對ExecutorService做了一些擴展，增加一些定時任務相關的功能，主要包含兩大類：執行一次，重復多次執行。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    // 在指定延時后執行一次
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);
    // 在指定延時后執行一次
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);

    // 在指定延時后開始執行，并在之后以指定時間間隔重復執行（間隔不包含任務執行的時間）
    // 相當于之后的延時以任務開始計算，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    // 在指定延時后開始執行，并在之后以指定延時重復執行（間隔包含任務執行的時間）
    // 相當于之后的延時以任務結束計算
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

AbstractExecutorService

抽象類，運用模板方法設計模式實現了一部分方法，主要為執行有返回值任務、批量執行任務的方法。

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，這里的submit()方法對傳入的任務都包裝成了FutureTask來進行處理，這是什么東西呢？歡迎關注后面的章節。

ThreadPoolExecutor

普通線程池類，這也是我們通常所說的線程池，包含最基本的一些線程池操作相關的方法實現。

線程池的主要實現邏輯都在這里面，比如線程的創建、任務的處理、拒絕策略等，我們后面單獨分析這個類。

ScheduledThreadPoolExecutor

定時任務線程池類，用于實現定時任務相關功能，將任務包裝成定時任務，并按照定時策略來執行，我們后面單獨分析這個類。

問題：你知道定時任務線程池類使用的是什么隊列嗎？

ForkJoinPool

新型線程池類，java7中新增的線程池類，這個線程池與Go中的線程模型特別類似，都是基于工作竊取理論，特別適合于處理歸并排序這種先分后合的場景。

Executors

線程池工具類，定義了一系列快速實現線程池的方法——newXXX()，不過阿里手冊是不建議使用這個類來新建線程池的，彤哥我并不這么認為，只要能掌握其源碼，知道其利敝偶爾還是可以用的，后面我們再來說這個事。

彩蛋

無彩蛋不歡，今天的問題是定時任務線程池用的是哪種隊列來實現的？

答：延時隊列。定時任務線程池中并沒有直接使用并發集合中的DelayQueue，而是自己又實現了一個DelayedWorkQueue，不過跟DelayQueue的實現原理是一樣的。

延時隊列使用什么數據結構來實現的呢？

答：堆（DelayQueue中使用的是優先級隊列，而優先級隊列使用的堆；DelayedWorkQueue直接使用的堆）。

關于延時隊列、優先級隊列和堆的相關內容點擊下面的鏈接直達：

死磕 java集合之DelayQueue源碼分析

死磕 java集合之PriorityQueue源碼分析

拜托，面試別再問我堆（排序）了！