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1 为什么使用线程池

在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。

降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。

2 线程池的实现原理

当向线程池提交一个任务之后，线程池是如何处理这个任务的呢？下图是使用ThreadPoolExecutor 调用 execute() 方法来执行一个提交过来的线程。

当执行execute()方法后，会出现下面四种情况（相关参数介绍见第3点）：

如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行第二步，而第二步不需要获取全局锁。

3 线程池的使用

3.1 线程池的创建

我们可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池，当然并不仅限于这一种方式。

ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime,
                unit, workQueue, threadFactory, handler);

创建一个线程池时需要输入几个参数：

corePoolSize（线程池的基本大小）：当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。
如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
maximumPoolSize（线程池最大数量）：线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
keepAliveTime（线程活动保持时间）：当线程池中的线程数超过了corePoolSize，超出的那部分线程能够空闲的最大时间，当空闲时间超出keepAliveTime，这些线程就会被回收。所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率。

还有一个成员变量boolean allowCoreThreadTimeOut，当该变量值为true时（默认为false），keepAliveTime也能影响到corePool内的线程。

TimeUnit（线程活动保持时间的单位），可选的单位有：
- 天（DAYS）
- 小时（HOURS）
- 分钟（MINUTES）
- 毫秒（MILLISECONDS）
- 微秒（MICROSECONDS，千分之一毫秒）
- 纳秒（NANOSECONDS，千分之一微秒）
workQueue（任务队列）：用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列：
- ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
- LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
- SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
- PriorityBlockingQueue：一个具有优先级的无限阻塞队列。
ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuilder可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下：
```
new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-%d").build();
```
RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了以下4种策略。
- AbortPolicy：直接抛出异常。
- CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
- DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
- DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
当然，也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

3.2 向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务是否被线程池执行成功。通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。
```
threadsPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
    }
});
```
submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get(long timeout，TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没有执行完。
```
Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
try {
    Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断异常
} catch (ExecutionException e) {
    // 处理无法执行任务异常
} finally {
    // 关闭线程池
    executor.shutdown();
}
```

3.3 关闭线程池

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。
它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。
但是它们存在一定的区别：

shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，
shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这时调用isTerminaed方法会返回true。
至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定：

通常调用shutdown方法来关闭线程池。
如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

3.4 合理的配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析：

任务的性质：CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
任务的优先级：高、中和低。
任务的执行时间：长、中和短。
任务的依赖性：是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理：

CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置Ncpu+1个线程的线程池。
IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如2*Ncpu。
混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。

3.5 线程池的监控

如果在系统中 大量使用线程池，则有必要 对线程池进行监控，方便在出现问题时，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用以下属性：

taskCount：线程池需要执行的任务数量。
completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
largestPoolSize：线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
getPoolSize：线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
getActiveCount：获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute、afterExecute和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间 和 最小执行时间 等。这几个方法在线程池里是空方法。

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

4 线程池状态维护

通过一个原子整形变量（int类型，32位）来存储线程池的状态和已创建的线程个数。其中，第1~3位存线程池状态，第4~29位存储已创建的线程数量。

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;         // 29
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;    // 0001111...1

    // 线程池的运行状态，存储在ctl的高3位上
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;    // 11100...0
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;    // 00000...0
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;    // 00100...0
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;    // 01000...0
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;    // 01100...0

    // 获取线程池状态、已创建的线程个数、状态元数据
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

线程池的运行状态如下：

RUNNING：表示接受新的任务进入和执行队列中的任务。
SHUTDOWN：不接受新的任务，但是会执行队列中的任务。
STOP：不接受新的任务，不执行队列中的任务，并且中断正在执行的任务。
TIDYING：所有的任务已经终止，线程池中的工作线程数量为0,。
TERMINATED：线程池的terminated()方法已经完成。

线程池的状态转换是有一定的顺序的，在转换过程中不必经历上面所有状态，具体转换情况如下：

RUNNING -> SHUTDOWN：当执行shutdown()或finalize()方法。
RUNNING 或 SHUTDOWN -> STOP：当执行shutdownNow()方法。
SHUTDOWN -> TIDYING：都阻塞队列和线程池都为空。
STOP -> TIDYING：当线程池为空。
TIDYING -> TERMINATED：当terminated()方法已经完成。

注：当线程池状态编程TERMINATED时，因为awaitTermination()方法而陷入等待的线程会直接返回。

【Executor框架】Java中的线程池（ThreadPoolExecutor实现原理、使用、状态维护）

1 为什么使用线程池

2 线程池的实现原理

3 线程池的使用

3.1 线程池的创建

3.2 向线程池提交任务

3.3 关闭线程池

3.4 合理的配置线程池

3.5 线程池的监控

4 线程池状态维护

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