死磕 java線程系列之線程池深刻解析——體系結構

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注：java源碼分析部分如無特殊說明均基於 java8 版本。

簡介

Java的線程池是塊硬骨頭，對線程池的源碼作深刻研究不只能提升對Java整個併發編程的理解，也能提升本身在面試中的表現，增長被錄取的可能性。

本系列將分紅不少個章節，本章做爲線程池的第一章將對整個線程池體系作一個總覽。

體系結構

上圖列舉了線程池中很是重要的接口和類：

（1）Executor，線程池頂級接口；

（2）ExecutorService，線程池次級接口，對Executor作了一些擴展，增長一些功能；

（3）ScheduledExecutorService，對ExecutorService作了一些擴展，增長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，這也是咱們一般所說的線程池，包含最基本的一些線程池操做相關的方法實現；

（6）ScheduledThreadPoolExecutor，定時任務線程池類，用於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，基於工做竊取理論實現，運用於大任務拆小任務、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【本篇文章由公衆號「彤哥讀源碼」原創】
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

線程池次級接口，對Executor作了一些擴展，主要增長了關閉線程池、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，再也不接受新任務，但已經提交的任務會執行完成
    void shutdown();

    // 當即關閉線程池，嘗試中止正在運行的任務，未執行的任務將再也不執行
    // 被迫中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()以後調用纔有可能爲true
    boolean isTerminated();
    
    // 在指定時間內線程池達到終止狀態了纔會返回true
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    
    // 執行有返回值的任務，任務的返回值爲task.call()的結果
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    // 執行有返回值的任務，任務的返回值爲這裏傳入的result
    // 固然只有當任務執行完成了調用get()時纔會返回
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
    
    // 執行有返回值的任務，任務的返回值爲null
    // 固然只有當任務執行完成了調用get()時纔會返回
    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纔會返回
    <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
    // 這裏的timeout是全部任務的總時間，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;

    // 在指定時間內若是有任務已完成，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作了一些擴展，增長一些定時任務相關的功能，主要包含兩大類：執行一次，重複屢次執行。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    // 在指定延時後執行一次
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);
    // 在指定延時後執行一次
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);
                                           
    // 在指定延時後開始執行，並在以後以指定時間間隔重複執行（間隔不包含任務執行的時間）
    // 至關於以後的延時以任務開始計算【本篇文章由公衆號「彤哥讀源碼」原創】
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    // 在指定延時後開始執行，並在以後以指定延時重複執行（間隔包含任務執行的時間）
    // 至關於以後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，主要爲執行有返回值任務、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...
    }

}

能夠看到，這裏的submit()方法對傳入的任務都包裝成了FutureTask來進行處理，這是什麼東西呢？歡迎關注後面的章節。

ThreadPoolExecutor

普通線程池類，這也是咱們一般所說的線程池，包含最基本的一些線程池操做相關的方法實現。

線程池的主要實現邏輯都在這裏面，好比線程的建立、任務的處理、拒絕策略等，咱們後面單獨分析這個類。

ScheduledThreadPoolExecutor

定時任務線程池類，用於實現定時任務相關功能，將任務包裝成定時任務，並按照定時策略來執行，咱們後面單獨分析這個類。

問題：你知道定時任務線程池類使用的是什麼隊列嗎？

ForkJoinPool

新型線程池類，java7中新增的線程池類，這個線程池與Go中的線程模型特別相似，都是基於工做竊取理論，特別適合於處理歸併排序這種先分後合的場景。

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，彤哥我並不這麼認爲，只要能掌握其源碼，知道其利敝偶爾仍是能夠用的，後面咱們再來講這個事。

彩蛋

無彩蛋不歡，今天的問題是定時任務線程池用的是哪一種隊列來實現的？

答：延時隊列。定時任務線程池中並無直接使用併發集合中的DelayQueue，而是本身又實現了一個DelayedWorkQueue，不過跟DelayQueue的實現原理是同樣的。

延時隊列使用什麼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）。

關於延時隊列、優先級隊列和堆的相關內容點擊下面的連接直達：

死磕 java集合之DelayQueue源碼分析

死磕 java集合之PriorityQueue源碼分析

拜託，面試別再問我堆（排序）了！

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