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前言
多線程的異步執行方式，雖然能夠最大限度發揮多核計算機的計算能力，但是如果不加控制，反而會對系統造成負擔。線程本身也要佔用內存空間，大量的線程會佔用內存資源並且可能會導致Out of Memory。即便沒有這樣的情況，大量的線程回收也會給GC帶來很大的壓力。
爲了避免重複的創建線程，線程池的出現可以讓線程進行復用。通俗點講，當有工作來，就會向線程池拿一個線程，當工作完成後，並不是直接關閉線程，而是將這個線程歸還給線程池供其他任務使用。
接下來從總體到細緻的方式，來共同探討線程池。
總體的架構
來看Executor的框架圖：
接口：Executor,CompletionService,ExecutorService，ScheduledExecutorService
抽象類：AbstractExecutorService
實現類：ExecutorCompletionService，ThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor
從圖中就可以看到主要的方法，本文主要討論的是ThreadPoolExecutor
研讀ThreadPoolExecutor
看一下該類的構造器：
public ThreadPoolExecutor(int paramInt1, int paramInt2, long paramLong, TimeUnit paramTimeUnit,
BlockingQueue<Runnable> paramBlockingQueue, ThreadFactory paramThreadFactory,
RejectedExecutionHandler paramRejectedExecutionHandler) {
this.ctl = new AtomicInteger(ctlOf(-536870912, 0));
this.mainLock = new ReentrantLock();
this.workers = new HashSet();
this.termination = this.mainLock.newCondition();
if ((paramInt1 < 0) || (paramInt2 <= 0) || (paramInt2 < paramInt1) || (paramLong < 0L))
throw new IllegalArgumentException();
if ((paramBlockingQueue == null) || (paramThreadFactory == null) || (paramRejectedExecutionHandler == null))
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = paramInt1;
this.maximumPoolSize = paramInt2;
this.workQueue = paramBlockingQueue;
this.keepAliveTime = paramTimeUnit.toNanos(paramLong);
this.threadFactory = paramThreadFactory;
this.handler = paramRejectedExecutionHandler;
}
corePoolSize :線程池的核心池大小，在創建線程池之後，線程池默認沒有任何線程。
當有任務過來的時候纔會去創建創建線程執行任務。換個說法，線程池創建之後，線程池中的線程數爲0，當任務過來就會創建一個線程去執行，直到線程數達到corePoolSize 之後，就會被到達的任務放在隊列中。（注意是到達的任務）。換句更精煉的話：corePoolSize 表示允許線程池中允許同時運行的最大線程數。
如果執行了線程池的prestartAllCoreThreads()方法，線程池會提前創建並啓動所有核心線程。
maximumPoolSize :線程池允許的最大線程數，他表示最大能創建多少個線程。maximumPoolSize肯定是大於等於corePoolSize。
keepAliveTime :表示線程沒有任務時最多保持多久然後停止。默認情況下，只有線程池中線程數大於corePoolSize 時，keepAliveTime 纔會起作用。換句話說，當線程池中的線程數大於corePoolSize，並且一個線程空閒時間達到了keepAliveTime，那麼就是shutdown。
Unit:keepAliveTime 的單位。
workQueue ：一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，當線程池中的線程數超過它的corePoolSize的時候，線程會進入阻塞隊列進行阻塞等待。通過workQueue，線程池實現了阻塞功能
threadFactory ：線程工廠，用來創建線程。
handler :表示當拒絕處理任務時的策略。
任務緩存隊列
在前面我們多次提到了任務緩存隊列，即workQueue，它用來存放等待執行的任務。
workQueue的類型爲BlockingQueue，通常可以取下面三種類型：
1）有界任務隊列ArrayBlockingQueue：基於數組的先進先出隊列，此隊列創建時必須指定大小；
2）無界任務隊列LinkedBlockingQueue：基於鏈表的先進先出隊列，如果創建時沒有指定此隊列大小，則默認爲Integer.MAX_VALUE；
3）直接提交隊列synchronousQueue：這個隊列比較特殊，它不會保存提交的任務，而是將直接新建一個線程來執行新來的任務。
拒絕策略
AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException
CallerRunsPolicy：只要線程池未關閉，該策略直接在調用者線程中，運行當前被丟棄的任務。顯然這樣做不會真的丟棄任務，但是，任務提交線程的性能極有可能會急劇下降。
DiscardOldestPolicy：丟棄隊列中最老的一個請求，也就是即將被執行的一個任務，並嘗試再次提交當前任務。
DiscardPolicy：丟棄任務，不做任何處理。
線程池的任務處理策略：
如果當前線程池中的線程數目小於corePoolSize，則每來一個任務，就會創建一個線程去執行這個任務；
如果當前線程池中的線程數目>=corePoolSize，則每來一個任務，會嘗試將其添加到任務緩存隊列當中，若添加成功，則該任務會等待空閒線程將其取出去執行；若添加失敗（一般來說是任務緩存隊列已滿），則會嘗試創建新的線程去執行這個任務；如果當前線程池中的線程數目達到maximumPoolSize，則會採取任務拒絕策略進行處理；
如果線程池中的線程數量大於 corePoolSize時，如果某線程空閒時間超過keepAliveTime，線程將被終止，直至線程池中的線程數目不大於corePoolSize；如果允許爲核心池中的線程設置存活時間，那麼核心池中的線程空閒時間超過keepAliveTime，線程也會被終止。
線程池的關閉
ThreadPoolExecutor提供了兩個方法，用於線程池的關閉，分別是shutdown()和shutdownNow()，其中：
shutdown()：不會立即終止線程池，而是要等所有任務緩存隊列中的任務都執行完後才終止，但再也不會接受新的任務
shutdownNow()：立即終止線程池，並嘗試打斷正在執行的任務，並且清空任務緩存隊列，返回尚未執行的任務
源碼分析
首先來看最核心的execute方法，這個方法在AbstractExecutorService中並沒有實現，從Executor接口，直到ThreadPoolExecutor才實現了改方法，
ExecutorService中的submit(),invokeAll(),invokeAny()都是調用的execute方法，所以execute是核心中的核心,源碼分析將圍繞它逐步展開。
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
* 如果正在運行的線程數小於corePoolSize，那麼將調用addWorker 方法來創建一個新的線程，並將該任務作爲新線程的第一個任務來執行。
當然，在創建線程之前會做原子性質的檢查，如果條件不允許，則不創建線程來執行任務，並返回false.
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
* 如果一個任務成功進入阻塞隊列，那麼我們需要進行一個雙重檢查來確保是我們已經添加一個線程（因爲存在着一些線程在上次檢查後他已經死亡）或者
當我們進入該方法時，該線程池已經關閉。所以，我們將重新檢查狀態，線程池關閉的情況下則回滾入隊列，線程池沒有線程的情況則創建一個新的線程。
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
如果任務無法入隊列（隊列滿了），那麼我們將嘗試新開啓一個線程（從corepoolsize到擴充到maximum），如果失敗了，那麼可以確定原因，要麼是
線程池關閉了或者飽和了（達到maximum），所以我們執行拒絕策略。
*/
// 1.當前線程數量小於corePoolSize，則創建並啓動線程。
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
// 成功，則返回
return;
c = ctl.get();
}
// 2.步驟1失敗，則嘗試進入阻塞隊列，
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 入隊列成功，檢查線程池狀態，如果狀態部署RUNNING而且remove成功，則拒絕任務
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//
如果當前worker數量爲0，通過addWorker(null, false)創建一個線程，其任務爲null
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 3. 步驟1和2失敗，則嘗試將線程池的數量有corePoolSize擴充至
maxPoolSize，如果失敗，則拒絕任務
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
相信看了代碼也是一臉懵,接下來用一個流程圖來講一講，他究竟幹了什麼事：
結合上面的流程圖來逐行解析，首先前面進行空指針檢查，
wonrkerCountOf()方法能夠取得當前線程池中的線程的總數，取得當前線程數與核心池大小比較，
如果小於，將通過addWorker()方法調度執行。
如果大於核心池大小，那麼就提交到等待隊列。
如果進入等待隊列失敗，則會將任務直接提交給線程池。
如果線程數達到最大線程數，那麼就提交失敗，執行拒絕策略。
excute()方法中添加任務的方式是使用addWorker（）方法，看一下源碼，一起學習一下
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 外層循環，用於判斷線程池狀態
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
// 內層的循環，任務是將worker數量加1
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
// worker加1後，接下來將woker添加到HashSet<Worker>中，並啓動worker
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 如果往HashSet<Worker>添加成功，則啓動該線程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)的主要任務是創建並啓動線程。
他會根據當前線程的狀態和給定的值（core or maximum）來判斷是否可以創建一個線程。
addWorker共有四種傳參方式。execute使用了其中三種，分別爲:
1.addWorker(paramRunnable, true)
線程數小於corePoolSize時，放一個需要處理的task進Workers Set。如果Workers Set長度超過corePoolSize，就返回false.
2.addWorker(null, false)
放入一個空的task進workers Set，長度限制是maximumPoolSize。這樣一個task爲空的worker在線程執行的時候會去任務隊列裏拿任務，這樣就相當於創建了一個新的線程，只是沒有馬上分配任務。
3.addWorker(paramRunnable, false)
當隊列被放滿時，就嘗試將這個新來的task直接放入Workers Set，而此時Workers Set的長度限制是maximumPoolSize。如果線程池也滿了的話就返回false.
還有一種情況是execute()方法沒有使用的
addWorker(null, true)
這個方法就是放一個null的task進Workers Set，而且是在小於corePoolSize時，如果此時Set中的數量已經達到corePoolSize那就返回false，什麼也不幹。實際使用中是在prestartAllCoreThreads()方法，這個方法用來爲線程池預先啓動corePoolSize個worker等待從workQueue中獲取任務執行。
執行流程：
1、判斷線程池當前是否爲可以添加worker線程的狀態，可以則繼續下一步，不可以return false：
A、線程池狀態>shutdown，可能爲stop、tidying、terminated，不能添加worker線程
B、線程池狀態shutdown，firstTask不爲空，不能添加worker線程，因爲shutdown狀態的線程池不接收新任務
C、線程池狀態shutdown，firstTask==null，workQueue爲空，不能添加worker線程，因爲firstTask爲空是爲了添加一個沒有任務的線程再從workQueue獲取task，而workQueue爲 空，說明添加無任務線程已經沒有意義
2、線程池當前線程數量是否超過上限（corePoolSize 或 maximumPoolSize），超過了return false，沒超過則對workerCount+1，繼續下一步
3、在線程池的ReentrantLock保證下，向Workers Set中添加新創建的worker實例，添加完成後解鎖，並啓動worker線程，如果這一切都成功了，return true，如果添加worker入Set失敗或啓動失敗，調用addWorkerFailed()邏輯
常見的四種線程池
newFixedThreadPool
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0) {
return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var1);
}
固定大小的線程池，可以指定線程池的大小，該線程池corePoolSize和maximumPoolSize相等，阻塞隊列使用的是LinkedBlockingQueue，大小爲整數最大值。
該線程池中的線程數量始終不變，當有新任務提交時，線程池中有空閒線程則會立即執行，如果沒有，則會暫存到阻塞隊列。對於固定大小的線程池，不存在線程數量的變化。同時使用無界的LinkedBlockingQueue來存放執行的任務。當任務提交十分頻繁的時候，LinkedBlockingQueue
迅速增大，存在着耗盡系統資源的問題。而且在線程池空閒時，即線程池中沒有可運行任務時，它也不會釋放工作線程，還會佔用一定的系統資源，需要shutdown。
newSingleThreadExecutor
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue()));
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory var0) {
return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var0));
}
單個線程線程池，只有一個線程的線程池，阻塞隊列使用的是LinkedBlockingQueue,若有多餘的任務提交到線程池中，則會被暫存到阻塞隊列，待空閒時再去執行。按照先入先出的順序執行任務。
newCachedThreadPool
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory var0) {
return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue(), var0);
}
緩存線程池，緩存的線程默認存活60秒。線程的核心池corePoolSize大小爲0，核心池最大爲Integer.MAX_VALUE,阻塞隊列使用的是SynchronousQueue。是一個直接提交的阻塞隊列， 他總會迫使線程池增加新的線程去執行新的任務。在沒有任務執行時，當線程的空閒時間超過keepAliveTime（60秒），則工作線程將會終止被回收，當提交新任務時，如果沒有空閒線程，則創建新線程執行任務，會導致一定的系統開銷。如果同時又大量任務被提交，而且任務執行的時間不是特別快，那麼線程池便會新增出等量的線程池處理任務，這很可能會很快耗盡系統的資源。
newScheduledThreadPool
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0);
}
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0, var1);
}
定時線程池，該線程池可用於週期性地去執行任務，通常用於週期性的同步數據。
scheduleAtFixedRate:是以固定的頻率去執行任務，週期是指每次執行任務成功執行之間的間隔。
schedultWithFixedDelay:是以固定的延時去執行任務，延時是指上一次執行成功之後和下一次開始執行的之前的時間。
最後雜談
如何選擇線程池數量
線程池的大小決定着系統的性能，過大或者過小的線程池數量都無法發揮最優的系統性能。
當然線程池的大小也不需要做的太過於精確，只需要避免過大和過小的情況。一般來說，確定線程池的大小需要考慮CPU的數量，內存大小，任務是計算密集型還是IO密集型等因素
NCPU = CPU的數量
UCPU = 期望對CPU的使用率 0 ≤ UCPU ≤ 1
W/C = 等待時間與計算時間的比率
如果希望處理器達到理想的使用率，那麼線程池的最優大小爲：
線程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)
在Java中使用
int ncpus = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
獲取CPU的數量。
線程池工廠
Executors的線程池如果不指定線程工廠會使用Executors中的DefaultThreadFactory,默認線程池工廠創建的線程都是非守護線程。
使用自定義的線程工廠可以做很多事情，比如可以跟蹤線程池在何時創建了多少線程，也可以自定義線程名稱和優先級。如果將
新建的線程都設置成守護線程，當主線程退出後，將會強制銷燬線程池。
下面這個例子，記錄了線程的創建，並將所有的線程設置成守護線程。
public class ThreadFactoryDemo {
public static class MyTask1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"Thrad ID:"+Thread.currentThread().getId());
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args){
MyTask1 task = new MyTask1();
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MICROSECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), new ThreadFactory() {
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
t.setDaemon(true);
System.out.println("創建線程"+t);
return t;
}
});
for (int i = 0;i<=4;i++){
es.submit(task);
}
}
}
擴展線程池
ThreadPoolExecutor是可以拓展的，它提供了幾個可以在子類中改寫的方法：beforeExecute,afterExecute和terimated。
在執行任務的線程中將調用beforeExecute和afterExecute,這些方法中還可以添加日誌，計時，監視或統計收集的功能，
還可以用來輸出有用的調試信息，幫助系統診斷故障。下面是一個擴展線程池的例子：
public class ThreadFactoryDemo {
public static class MyTask1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"Thrad ID:"+Thread.currentThread().getId());
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args){
MyTask1 task = new MyTask1();
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MICROSECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), new ThreadFactory() {
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r);
t.setDaemon(true);
System.out.println("創建線程"+t);
return t;
}
});
for (int i = 0;i<=4;i++){
es.submit(task);
}
}
}
線程池的正確使用
以下阿里編碼規範裏面說的一段話：
線程池不允許使用Executors去創建，而是通過ThreadPoolExecutor的方式，這樣的處理方式讓寫的同學更加明確線程池的運行規則，規避資源耗盡的風險。 說明：Executors各個方法的弊端：
1）newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor:
主要問題是堆積的請求處理隊列可能會耗費非常大的內存，甚至OOM。
2）newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:
主要問題是線程數最大數是Integer.MAX_VALUE，可能會創建數量非常多的線程，甚至OOM。
手動創建線程池有幾個注意點
1.任務獨立。如何任務依賴於其他任務，那麼可能產生死鎖。例如某個任務等待另一個任務的返回值或執行結果，那麼除非線程池足夠大，否則將發生線程飢餓死鎖。
2.合理配置阻塞時間過長的任務。如果任務阻塞時間過長，那麼即使不出現死鎖，線程池的性能也會變得很糟糕。在Java併發包裏可阻塞方法都同時定義了限時方式和不限時方式。例如
Thread.join,BlockingQueue.put,CountDownLatch.await等，如果任務超時，則標識任務失敗，然後中止任務或者將任務放回隊列以便隨後執行，這樣，無論任務的最終結果是否成功，這種辦法都能夠保證任務總能繼續執行下去。
3.設置合理的線程池大小。只需要避免過大或者過小的情況即可，上文的公式線程池大小=NCPU *UCPU(1+W/C)。
4.選擇合適的阻塞隊列。newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor都使用了無界的阻塞隊列，無界阻塞隊列會有消耗很大的內存，如果使用了有界阻塞隊列，它會規避內存佔用過大的問題，但是當任務填滿有界阻塞隊列，新的任務該怎麼辦？在使用有界隊列是，需要選擇合適的拒絕策略，隊列的大小和線程池的大小必須一起調節。對於非常大的或者無界的線程池，可以使用SynchronousQueue來避免任務排隊，以直接將任務從生產者提交到工作者線程。
下面是Thrift框架處理socket任務所使用的一個線程池，可以看一下FaceBook的工程師是如何自定義線程池的。
private static ExecutorService createDefaultExecutorService(Args args) {
SynchronousQueue executorQueue = new SynchronousQueue();
return new ThreadPoolExecutor(args.minWorkerThreads, args.maxWorkerThreads, 60L, TimeUnit.SECONDS,
executorQueue);
}