死磕 java線程系列之線程池深入解析——體系結(jié)構(gòu)

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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(gè)并發(fā)編程的理解，也能提高自己在面試中的表現(xiàn)，增加被錄取的可能性。

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

體系結(jié)構(gòu)

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(kuò)展，增加一些功能；

（3）ScheduledExecutorService，對ExecutorService做了一些擴(kuò)展，增加一些定時(shí)任務(wù)相關(guān)的功能；

（4）AbstractExecutorService，抽象類，運(yùn)用模板方法設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)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(guān)的方法實(shí)現(xiàn)；

（6）ScheduledThreadPoolExecutor，定時(shí)任務(wù)線程池類，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)相關(guān)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(shí)現(xiàn)，運(yùn)用于大任務(wù)拆小任務(wù)、任務(wù)無限多的場景；

（8）Executors，線程池工具類，定義了一些快速實(shí)現(xiàn)線程池的方法（謹(jǐn)慎使用）；

Executor

線程池頂級接口，只定義了一個(gè)執(zhí)行無返回值任務(wù)的方法。

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

ExecutorService

線程池次級接口，對Executor做了一些擴(kuò)展，主要增加了關(guān)閉線程池、執(zhí)行有返回值任務(wù)、批量執(zhí)行任務(wù)的方法。

public interface ExecutorService extends Executor {
    // 關(guān)閉線程池，不再接受新任務(wù)，但已經(jīng)提交的任務(wù)會執(zhí)行完成
    void shutdown();

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

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

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

    // 在指定時(shí)間內(nèi)線程池達(dá)到終止?fàn)顟B(tài)了才會返回true
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    // 執(zhí)行有返回值的任務(wù)，任務(wù)的返回值為task.call()的結(jié)果
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    // 執(zhí)行有返回值的任務(wù)，任務(wù)的返回值為這里傳入的result
    // 當(dāng)然只有當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成了調(diào)用get()時(shí)才會返回
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    // 執(zhí)行有返回值的任務(wù)，任務(wù)的返回值為null
    // 當(dāng)然只有當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成了調(diào)用get()時(shí)才會返回
    Future<?> submit(Runnable task);

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

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

    // 返回任意一個(gè)已完成任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，未執(zhí)行完成的任務(wù)將被取消
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    // 在指定時(shí)間內(nèi)如果有任務(wù)已完成，則返回任意一個(gè)已完成任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，未執(zhí)行完成的任務(wù)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(kuò)展，增加一些定時(shí)任務(wù)相關(guān)的功能，主要包含兩大類：執(zhí)行一次，重復(fù)多次執(zhí)行。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

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

    // 在指定延時(shí)后開始執(zhí)行，并在之后以指定時(shí)間間隔重復(fù)執(zhí)行（間隔不包含任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間）
    // 相當(dāng)于之后的延時(shí)以任務(wù)開始計(jì)算，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    // 在指定延時(shí)后開始執(zhí)行，并在之后以指定延時(shí)重復(fù)執(zhí)行（間隔包含任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間）
    // 相當(dāng)于之后的延時(shí)以任務(wù)結(jié)束計(jì)算
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);

}

AbstractExecutorService

抽象類，運(yùn)用模板方法設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了一部分方法，主要為執(zhí)行有返回值任務(wù)、批量執(zhí)行任務(wù)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(wù)都包裝成了FutureTask來進(jìn)行處理，這是什么東西呢？歡迎關(guān)注后面的章節(jié)。

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(guān)的方法實(shí)現(xiàn)。

線程池的主要實(shí)現(xiàn)邏輯都在這里面，比如線程的創(chuàng)建、任務(wù)的處理、拒絕策略等，我們后面單獨(dú)分析這個(gè)類。

ScheduledThreadPoolExecutor

定時(shí)任務(wù)線程池類，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)相關(guān)功能，將任務(wù)包裝成定時(shí)任務(wù)，并按照定時(shí)策略來執(zhí)行，我們后面單獨(dú)分析這個(gè)類。

問題：你知道定時(shí)任務(wù)線程池類使用的是什么隊(duì)列嗎？

ForkJoinPool

新型線程池類，java7中新增的線程池類，這個(gè)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(shí)現(xiàn)線程池的方法——newXXX()，不過阿里手冊是不建議使用這個(gè)類來新建線程池的，彤哥我并不這么認(rèn)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(gè)事。

彩蛋

無彩蛋不歡，今天的問題是定時(shí)任務(wù)線程池用的是哪種隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)的？

答：延時(shí)隊(duì)列。定時(shí)任務(wù)線程池中并沒有直接使用并發(fā)集合中的DelayQueue，而是自己又實(shí)現(xiàn)了一個(gè)DelayedWorkQueue，不過跟DelayQueue的實(shí)現(xiàn)原理是一樣的。

延時(shí)隊(duì)列使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的呢？

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

關(guān)于延時(shí)隊(duì)列、優(yōu)先級隊(duì)列和堆的相關(guān)內(nèi)容點(diǎn)擊下面的鏈接直達(dá)：

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！