并发编程之ThreadPoolExecutor线程池原理解析

在介绍线程池之前，我们先回顾下线程的基本知识。其中线程池包括ThreadPoolExecutor 默认线程和ScheduledThreadPoolExecutor 定时线程池 ，本篇重点介绍ThreadPoolExecutor线程池。

线程

线程是调度CPU资源的最小单位，线程模型分为KLT模型与ULT模型，JVM使用的是KLT模型，Java线程与OS线程保持 1:1 的映射关系，也就是说有一个Java线程也会在操作系统里有一个对应的线程。

内核线程模型

内核线程(KLT)：系统内核管理线程(KLT)，内核保存线程的状态和上下文信息，线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器系统上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理由内核完成，效率比ULT要慢，比进程操作快。

用户线程模型

用户线程(ULT)：用户程序实现，不依赖操作系统核心，应用提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/内核态切换，速度快。内核对ULT无感知，线程阻塞则进程(包括它的所有线程)阻塞。

Java线程生命状态

Java线程有多种生命状态：

• NEW ，新建
• RUNNABLE ，运行
• BLOCKED ，阻塞
• WAITING ，等待
• TIMED_WAITING ，超时等待
• TERMINATED，终结

状态切换如下图所示：

Java线程实现方式

Java线程实现方式主要有四种：

• 继承Thread类
• 实现Runnable接口、
• 实现Callable接口通过FutureTask包装器来创建Thread线程、
• 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程。

其中前两种方式线程执行完后都没有返回值，后两种是带返回值的。

继承Thread类创建线程

Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。这种方式实现多线程很简单，通过自己的类直接extend Thread，并复写run()方法，就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。例如：

public class MyThread extends Thread {   
  public void run() {   
   System.out.println("关注一角钱技术，获取Java架构资料");   
  }   
}   
  
MyThread myThread1 = new MyThread();   
MyThread myThread2 = new MyThread();   
myThread1.start();   
myThread2.start(); 

 实现Runnable接口创建线程

如果自己的类已经extends另一个类，就无法直接extends Thread，此时，可以实现一个Runnable接口，如下：

// 实现Runnable接口的类将被Thread执行，表示一个基本的任务 
public interface Runnable { 
    // run方法就是它所有的内容，就是实际执行的任务 
    public abstract void run(); 
} 

public class MyThread implements Runnable {   
  public void run() {   
   System.out.println("关注一角钱技术，获取Java架构资料");   
  }   
} 

 为了启动MyThread，需要首先实例化一个Thread，并传入自己的MyThread实例： 

MyThread myThread = new MyThread();   
Thread thread = new Thread(myThread);   
thread.start();   

 事实上，当传入一个Runnable target参数给Thread后，Thread的run()方法就会调用target.run()，参考JDK源代码： 

public void run() {   
  if (target != null) {   
   target.run();   
  }   
} 

 实现Callable接口通过FutureTask包装器来创建Thread线程

Callable接口(也只有一个方法)定义如下：

public interface Callable {  
 V call（） throws Exception;    
}  

//Callable同样是任务，与Runnable接口的区别在于它接收泛型，同时它执行任务后带有返回内容 
public class SomeCallable implements Callable { 
 // 相对于run方法的带有返回值的call方法 
    @Override 
    public V call() throws Exception { 
        // TODO Auto-generated method stub 
        return null; 
    } 
 
} 

Callable oneCallable = new SomeCallable();    
//由Callable<Integer>创建一个FutureTask<Integer>对象：    
FutureTask oneTask = new FutureTask(oneCallable); 
//注释：FutureTask<Integer>是一个包装器，它通过接受Callable<Integer>来创建，它同时实现了Future和Runnable接口。 
//由FutureTask<Integer>创建一个Thread对象：    
Thread oneThread = new Thread(oneTask);    
oneThread.start();    
//至此，一个线程就创建完成了。 

 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的线程

ExecutorService、Callable、Future三个接口实际上都是属于Executor框架。返回结果的线程是在JDK1.5中引入的新特征，有了这种特征就不需要再为了得到返回值而大费周折了。而且自己实现了也可能漏洞百出。(下部分来讲线程池了)

• 可返回值的任务必须实现Callable接口。
• 类似的，无返回值的任务必须实现Runnable接口。

执行Callable任务后，可以获取一个Future的对象，在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了。

• 注意：get方法是阻塞的，即：线程无返回结果，get方法会一直等待。

再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。

下面提供了一个完整的有返回结果的多线程测试例子。代码如下：

package com.niuh.thread.v4; 
 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.Date; 
import java.util.List; 
import java.util.concurrent.Callable; 
import java.util.concurrent.ExecutionException; 
import java.util.concurrent.ExecutorService; 
import java.util.concurrent.Executors; 
import java.util.concurrent.Future; 
 
 
public class MyThread { 
     
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, 
            InterruptedException { 
 
        System.out.println(("----程序开始运行----")); 
        Date date1 = new Date(); 
 
        int taskSize = 5; 
        // 创建一个线程池 
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize); 
        // 创建多个有返回值的任务 
        List list = new ArrayList(); 
        for (int i = 0; i < taskSize; i++) { 
            Callable c = new MyCallable(i + " "); 
            // 执行任务并获取Future对象 
            Future f = pool.submit(c); 
            // System.out.println(">>>" + f.get().toString()); 
            list.add(f); 
        } 
        // 关闭线程池 
        pool.shutdown(); 
 
        // 获取所有并发任务的运行结果 
        for (Future f : list) { 
            // 从Future对象上获取任务的返回值，并输出到控制台 
            System.out.println(">>>" + f.get().toString()); 
        } 
 
        Date date2 = new Date(); 
        System.out.println("----程序结束运行----，程序运行时间【" 
                + (date2.getTime() - date1.getTime()) + "毫秒】"); 
    } 
} 
 
class MyCallable implements Callable