特价版线程池ThreadPoolExecutor实现
线程池的实现原理无非复用二字，类似数据库连接池，都是将一些重复创建的东西拿来重复使用。其中最关键的问题就两个：一个是怎么复用；一个是怎么回收。在数据库连接池中，一个连接的生命周期是我们可以手动控制的，相对来说容易一些。我们通过使用一个链表来持有连接并复用，超过最大连接数就回收。线程池不同，线程的生命周期不可控，当run方法运行结束了，线程就自然消亡了，因此麻烦一些，我们需要通过一个循环来让run方法不停歇的运行着，跑完一个又一个的任务。线程和任务由worker持有，当一个工人的所有任务（包括队列中的）都跑完了就会被回收。
JDK8的线程池ThreadPoolExecutor类2000多行，当然其中注释占了大头。其中5个内部类，除去4个饱和策略，分量最重的是一个私有的内部类Worker，我叫它工具人类，它是关键。看下它的说明：
/** * Class Worker mainly maintains interrupt control state for * threads running tasks, along with other minor bookkeeping. * This class opportunistically extends AbstractQueuedSynchronizer * to simplify acquiring and releasing a lock surrounding each * task execution. This protects against interrupts that are * intended to wake up a worker thread waiting for a task from * instead interrupting a task being run. We implement a simple * non-reentrant mutual exclusion lock rather than use * ReentrantLock because we do not want worker tasks to be able to * reacquire the lock when they invoke pool control methods like * setCorePoolSize. Additionally, to suppress interrupts until * the thread actually starts running tasks, we initialize lock * state to a negative value, and clear it upon start (in * runWorker). */ private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable
工具人类继承AQS是为了实现不可重入的互斥锁（见标黄外文），因为我们不想要工具人在执行任务时被人打断，比如setCorePoolSize方法里的interruptIdleWorkers方法。
工具人类实现了Runnable接口是为了让它自己先顶替真正的任务，在runWorker方法中实现线程的复用。工具人投入池中，用自己的线程出力，执行自己的任务，直到超过规定正式员工人数，所有任务进入缓存队列中排队。此时队列是动态的，只要工具人手头任务处理完了，就会从队列中拿到新任务进行处理。一旦任务爆仓，就得外包工具人上场。把ThreadPoolExecutor精简一下，去掉线程池的生命周期，去掉饱和策略，从2000多行变成了300多行。直接看代码：
import java.util.HashSet; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; import java.util.concurrent.Executor; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class ThreadPool implements Executor { private AtomicInteger workerCounts = new AtomicInteger(0); // 正在忙着的工具人数量 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 缓存队列，用于缓存超过核心线程数的任务 private final HashSet<ThreadPool.Worker> workers = new HashSet<>(); // 工具人池 private int completedTaskCount = 1; // 已完成任务总数，初始值为1 private int corePoolSize; // 核心线程数 private int maxPoolSize; // 最大线程数 private volatile long keepAliveTime; // 多出核心线程数的线程保命的时间 private Lock mainLock = new ReentrantLock(); // 线程池的全局锁 ThreadPool(int corePoolSize, int maxPoolSize, int queueSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit) { this.corePoolSize = corePoolSize; this.maxPoolSize = maxPoolSize; this.workQueue = new ArrayBlockingQueue<>(queueSize); this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime); } /** * 线程池的主方法，也是入口 * * @param command */ @Override public void execute(Runnable command) { int currentWork = workerCounts.get(); // 先处理核心线程 if (currentWork < corePoolSize) { if (addWork(command, true)) { System.out.println("execute >>> 核心线程数内执行完毕。"); return; } } // 正式员工忙不过来，就把任务加入缓存队列中 if (workQueue.offer(command)) { System.out.println("execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 " + workQueue.size() + " 个任务。"); if (workerCounts.get() == 0) { // 当前已经没有活着的工具人了，因为当前任务都跑完了，需要再创建工具人 addWork(null, false); // 此时无需给工具人分配任务了，因为任务入队缓存队列中，只需从缓存队列中取出即可 } } else if (!addWork(command, false)) { // 缓存队列满了，让外包工具人处理，如果外包工具人名额也满了，那就真搞不定了 System.err.println("execute >>> 外包工具人名额也超额，线程池搞不定了。"); } } /** * 任务入池 * * @param firstTask 初始任务 * @param isCorePoolSize 是否核心线程数 * @return 任务是否已执行 */ public boolean addWork(Runnable firstTask, boolean isCorePoolSize) { // 双循环，通过设置标记来直接从内层循环跳出外层循环 retry: for (; ; ) { // 校验任务是否为空.若缓存队列不为空时，任务可以为空，见execute方法 if (firstTask == null && workQueue.isEmpty()) return false; for (; ; ) { int c = workerCounts.get(); // 获取在跑的工具人数量 System.out.println("addWork >>> 工具人数 ： " + c + " 个；是否核心线程数 ： " + isCorePoolSize); // 若是核心线程数，则判断工具人数是否已超过核心线程数；否则，看是否超过最大任务数 if (c >= (isCorePoolSize ? corePoolSize : maxPoolSize)) return false; // 先将在忙的工具人数+1，跳出到最外层，执行循环下面的逻辑 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; } } boolean workerStarted = false; // 任务是否已开始执行 boolean workerAdded; // 任务是否已添加到池子里 Worker w = null; final Thread t; try { w = new ThreadPool.Worker(firstTask); // 实例化工具人，将初始任务分配给该工具人 t = w.thread; // 从工具人那里领取线程，等会儿把任务跑起来 if (t != null) { final Lock mainLock = this.mainLock; // 使用全局锁来添加工具人到池子里 mainLock.lock(); try { workers.add(w); // 工具人入池 System.out.println("addWork >>> 工具人池里有 " + workers.size() + " 个工具人。"); workerAdded = true; } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { // 工具人入池成功，可以让他的线程跑起来了 System.out.println("addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()..."); t.start(); // 关键点1：工具人的线程跑起来了，怎么跑？工具人自己的run()，他也是个Runnable workerStarted = true; } } } finally { if (!workerStarted) // 任务没跑起来，回滚：回收该工具人，在忙着的工具人数-1 addWorkerFailed(w); } return workerStarted; } /** * 新增工具人失败，执行回滚操作 * * @param w */ private void addWorkerFailed(Worker w) { final Lock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { if (w != null) workers.remove(w); // 刚进去的工具人，从哪来回哪去 decrementWorkerCount(); // 刚加的在忙着的工具人数减回去 } finally { mainLock.unlock(); } } /** * 使用CAS将工具人数+1 * * @param expect * @return */ private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) { return workerCounts.compareAndSet(expect, expect + 1); } /** * 工具人执行任务。1个关键点。 * * @param worker */ final void runWork(Worker worker) { Runnable task = worker.task; // 获取该工具人要执行的任务 worker.task = null; // 清空该工具人的任务，所以firstTask就是一次的任务，后面都得从缓存队列中取任务 worker.unlock(); // 这里还是允许中断的 boolean completedAbruptly = true; // 任务执行是否被打断 try { // 关键点3：线程复用——若任务不为空，或者队列中的任务不为空，工具人的线程将一直执行下去。一旦断了，工具人也就可以去死了 while (task != null || (task = getTask()) != null) { worker.lock(); // 每次跑之前，工具人先锁住（不可重复锁），这里就不允许中断了 try { task.run(); System.out.println("runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 " + completedTaskCount + " 个任务。"); } finally { task = null; // 任务完成，清空 worker.completedTasks++; // 累计该工具人所完成的任务数量 worker.unlock(); // 工具人解锁（不可重复锁） } } completedAbruptly = false; // 没有被打断 } finally { System.out.println("runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了..."); processWorkerExit(worker, completedAbruptly); } } /** * 将濒死的工具人从池中剔除 * * @param w * @param completedAbruptly 工具人在干活时是否被人打断过 */ private void processWorkerExit(ThreadPool.Worker w, boolean completedAbruptly) { if (completedAbruptly) // 不曾被人打断，在干活的人数-1 decrementWorkerCount(); final Lock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { completedTaskCount += w.completedTasks; // 死后记账，把该工具人所完成的任务数汇总到总完成任务数中去 workers.remove(w); // 回收工具人的尸体 System.err.println("processWorkerExit >>> 工具人被回收了。"); } finally { mainLock.unlock(); } } /** * 空转，直到工具人数-1 */ private void decrementWorkerCount() { do { } while (!compareAndDecrementWorkerCount(workerCounts.get())); } /** * 使用CAS将工具人数-1 */ private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) { return workerCounts.compareAndSet(expect, expect - 1); } /** * 获取队列中的工作任务。两个关键点。 * * @return */ private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? for (; ; ) { int wc = workerCounts.get(); // 取得在忙工具人数 boolean timed = wc > corePoolSize; // 超过核心线程池数，超时的外包工具人就危险了 if ((wc > maxPoolSize || (timed && timedOut)) // 要么超过最大数了，要么出现了要炒掉的外包工具人 && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { // 要么还有忙的工具人，要么缓存队列清空了 if (compareAndDecrementWorkerCount(wc)) return null; // 超时回收这里返回null，runWork就得退出while循环，进入回收工具人阶段，也就是炒人 continue; // 没有炒掉，继续清点外包工具人 } System.out.println("getTask >>> 工作队列中还有 " + workQueue.size() + " 个任务。"); try { Runnable r = timed ? // 什么时候会出现poll超时？当然是队列为空的时候。关键点4——确认这个外包工具人是否要被裁 workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); // 缓存队列空的时候，这里会阻塞。关键点5——线程池靠它不让JVM退出 if (r != null) return r; timedOut = true; // 走到这里说明超时都获取不到任务了，那么说明这个外包工具人可以炒掉了 } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } } /** * 工具人，持有线程池中的线程和任务。1个关键点。 */ private class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { private Thread thread; // 线程，用来处理任务，消费者用来消费任务的 private Runnable task; // 任务，生产者创建的 volatile long completedTasks; // 已完成的任务数量 public Worker(Runnable task) { setState(-1); // 设置线程状态：SIGNAL this.task = task; // 设置工具人的任务 thread = new Thread(this); // 创建新线程，这里很关键，必须将工具人本身作为任务，分配给这个线程 } @Override public void run() { System.out.println("Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)..."); runWork(this); // 关键点2：让工具人线程运行工具人任务：工具人.run() -> 线程池.runWork(工具人) -> 工具人.task.run() } /** * 不可重入锁 */ public void lock() { acquire(1); } /** * 解不可重入锁 */ public void unlock() { release(1); } // 以下都是实现AQS中的方法 protected boolean isHeldExclusively() { return getState() != 0; } protected boolean tryAcquire(int unused) { if (compareAndSetState(0, 1)) { setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } protected boolean tryRelease(int unused) { setExclusiveOwnerThread(null); setState(0); return true; } } public static void main(String[] args) { int threadNum = 2; ThreadPool threadPool = new ThreadPool(4, 8, 6, 4, TimeUnit.SECONDS); for (int i = 0; i < threadNum; i++) { final int j = i + 1; threadPool.execute(() -> { System.out.println("hello, world.我是任务" + (j)); }); } } }
运行结果：
addWork >>> 工具人数 ： 1 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 1 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 2 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 2 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务1 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务2 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。
我们只生产了两个任务，没有超过核心线程数4，所以召唤的两个工具人事做完了后，常驻内存了。把main中的threadNum再分别改为11跑一把：
addWork >>> 工具人数 ： 0 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 1 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 1 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 2 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 2 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 3 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 3 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 4 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 1 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 2 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 3 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 4 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 5 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 6 个任务。 addWork >>> 工具人数 ： 4 个；是否核心线程数 ： false addWork >>> 工具人池里有 5 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务1 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 6 个任务。 hello, world.我是任务5 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 5 个任务。 hello, world.我是任务6 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 4 个任务。 hello, world.我是任务7 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 3 个任务。 hello, world.我是任务8 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 2 个任务。 hello, world.我是任务9 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务3 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 1 个任务。 hello, world.我是任务10 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务2 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务11 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 1 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务4 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了... processWorkerExit >>> 工具人被回收了。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。
核心线程数4，召唤4个正式工具人处理前面4个任务，剩下6个任务进入了缓存队列，第11个任务召唤出来了一个外包工具人处理。正式员工常驻内存，而外包的下场的悲惨的。再跑一把16个任务的：
addWork >>> 工具人数 ： 0 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 1 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 1 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 2 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 2 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 3 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 addWork >>> 工具人数 ： 3 个；是否核心线程数 ： true addWork >>> 工具人池里有 4 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... execute >>> 核心线程数内执行完毕。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 1 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 2 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 3 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 4 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 5 个任务。 execute >>> 已加入缓存队列中，队列中有 6 个任务。 addWork >>> 工具人数 ： 4 个；是否核心线程数 ： false addWork >>> 工具人池里有 5 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... addWork >>> 工具人数 ： 5 个；是否核心线程数 ： false addWork >>> 工具人池里有 6 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... addWork >>> 工具人数 ： 6 个；是否核心线程数 ： false addWork >>> 工具人池里有 7 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... addWork >>> 工具人数 ： 7 个；是否核心线程数 ： false addWork >>> 工具人池里有 8 个工具人。 addWork >>> 开始拉起线程，准备进入Workder.run()... addWork >>> 工具人数 ： 8 个；是否核心线程数 ： false execute >>> 外包工具人名额也超额，线程池搞不定了。 execute >>> 外包工具人名额也超额，线程池搞不定了。addWork >>> 工具人数 ： 8 个；是否核心线程数 ： false Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务1 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 6 个任务。 hello, world.我是任务5 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 5 个任务。 hello, world.我是任务6 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 4 个任务。 hello, world.我是任务7 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 3 个任务。 hello, world.我是任务8 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 2 个任务。 hello, world.我是任务9 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 1 个任务。 hello, world.我是任务10 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务2 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务3 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务4 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务11 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务12 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务13 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 Worker.run() >>> ....工具人的任务跑起来了，进入runWork(工具人)... hello, world.我是任务14 runWork >>> 任务真的跑起来了，目前已完成 1 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了... processWorkerExit >>> 工具人被回收了。 runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了... processWorkerExit >>> 工具人被回收了。 runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了... processWorkerExit >>> 工具人被回收了。 runWork >>> 这个工具人没任务可做了，要死了... processWorkerExit >>> 工具人被回收了。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。 getTask >>> 工作队列中还有 0 个任务。
4个给正式员工+6个入队列+4个外包员工（maxPoolSize - corePoolSize=4) = 14，所以剩下两个任务搞不定。
