戏（细）说 Executor 框架线程池任务执行全过程（上）

一、前言

1.5 后引入的 Executor 框架的最大优点是把任务的提交和执行解耦。要执行任务的人只需把 Task 描述清楚，然后提交即可。这个 Task 是怎么被执行的，被谁执行的，什么时候执行的，提交的人就不用关心了。具体点讲，提交一个 Callable 对象给 ExecutorService（如最常用的线程池 ThreadPoolExecutor），将得到一个 Future 对象，调用 Future 对象的 get 方法等待执行结果就好了。

经过这样的封装，对于使用者来说，提交任务获取结果的过程大大简化，调用者直接从提交的地方就可以等待获取执行结果。而封装最大的效果是使得真正执行任务的线程们变得不为人知。有没有觉得这个场景似曾相识？我们工作中当老大的老大（且称作 LD^2）把一个任务交给我们老大（LD）的时候，到底是 LD 自己干，还是转过身来拉来一帮苦逼的兄弟加班加点干，那 LD^2 是不管的。LD^2 只用把人描述清楚提及给 LD，然后喝着咖啡等着收 LD 的 report 即可。等 LD 一封邮件非常优雅地报告 LD^2report 结果时，实际操作中是码农 A 和码农 B 干了一个月，还是码农 ABCDE 加班干了一个礼拜，大多是不用体现的。这套机制的优点就是 LD^2 找个合适的 LD 出来提交任务即可，接口友好有效，不用为具体怎么干费神费力。

二、 一个最简单的例子

看上去这个执行过程是这个样子。调用这段代码的是老大的老大了，他所需要干的所有事情就是找到一个合适的老大（如下面例子中 laodaA 就荣幸地被选中了），提交任务就好了。

 
// 一个有 7 个作业线程的线程池，老大的老大找到一个管 7 个人的小团队的老大
      ExecutorService laodaA = Executors.newFixedThreadPool(7);
   	 // 提交作业给老大，作业内容封装在 Callable 中，约定好了输出的类型是 String。
   		String outputs = laoda.submit(
   		         new Callable<String>() {
   		             public String call() throws Exception 
   		             {			                
   		                 return "I am a task, which submited by the so called laoda, and run by those anonymous workers";
   		             }
   		             // 提交后就等着结果吧，到底是手下 7 个作业中谁领到任务了，老大是不关心的。
   		         }).get();
 
   		System.out.println(outputs);

使用上非常简单，其实只有两行语句来完成所有功能：创建一个线程池，提交任务并等待获取执行结果。

例子中生成线程池采用了工具类 Executors 的静态方法。除了 newFixedThreadPool 可以生成固定大小的线程池，newCachedThreadPool 可以生成一个无界、可以自动回收的线程池，newSingleThreadScheduledExecutor 可以生成一个单个线程的线程池。newScheduledThreadPool 还可以生成支持周期任务的线程池。一般用户场景下各种不同设置要求的线程池都可以这样生成，不用自己 new 一个线程池出来。

三、代码剖析

这套机制怎么用，上面两句语句就做到了，非常方便和友好。但是 submit 的 task 是怎么被执行的？是谁执行的？如何做到在调用的时候只有等待执行结束才能 get 到结果。这些都是 1.5 之后 Executor 接口下的线程池、Future 接口下的可获得执行结果的的任务，配合 AQS 和原有的 Runnable 来做到的。在下文中我们尝试通过剖析每部分的代码来了解 Task 提交，Task 执行，获取 Task 执行结果等几个主要步骤。为了控制篇幅，突出主要逻辑，文章中引用的代码片段去掉了异常捕获、非主要条件判断、非主要操作。文中只是以最常用的 ThreadPoolExecutor 线程池举例，其实 ExecutorService 接口下定义了很多功能丰富的其他类型，有各自的特点，但风格类似。本文重点是介绍任务提交的过程，过程中涉及的 ExecutorService、ThreadPoolExecutor、AQS、Future、FutureTask 等只会介绍该过程中用到的内容，不会对每个类都详细展开。

1、 任务提交

从类图上可以看到，接口 ExecutorService 继承自 Executor。不像 Executor 中只定义了一个方法来执行任务，在 ExecutorService 中，正如其名字暗示的一样，定义了一个服务，定义了完整的线程池的行为，可以接受提交任务、执行任务、关闭服务。抽象类 AbstractExecutorService 类实现了 ExecutorService 接口，也实现了接口定义的默认行为。

(点击放大图像)

AbstractExecutorService 任务提交的 submit 方法有三个实现。第一个接收一个 Runnable 的 Task，没有执行结果；第二个是两个参数：一个任务，一个执行结果；第三个一个 Callable，本身就包含执任务内容和执行结果。 submit 方法的返回结果是 Future 类型，调用该接口定义的 get 方法即可获得执行结果。 V get() 方法的返回值类型 V 是在提交任务时就约定好了的。

除了 submit 任务的方法外，作为对服务的管理，在 ExecutorService 接口中还定义了服务的关闭方法 shutdown 和 shutdownNow 方法，可以平缓或者立即关闭执行服务，实现该方法的子类根据自身特征支持该定义。在 ThreadPoolExecutor 中，维护了 RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TERMINATED 四种状态来实现对线程池的管理。线程池的完整运行机制不是本文的重点，重点还是关注 submit 过程中的逻辑。

1) 看 AbstractExecutorService 中代码提交部分，构造好一个 FutureTask 对象后，调用 execute() 方法执行任务。我们知道这个方法是顶级接口 Executor 中定义的最重要的方法。。FutureTask 类型实现了 Runnable 接口，因此满足 Executor 中 execute() 方法的约定。同时比较有意思的是，该对象在 execute 执行后，就又作为 submit 方法的返回值返回，因为 FutureTask 同时又实现了 Future 接口，满足 Future 接口的约定。

 
 public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
       if (task == null) throw new NullPointerException();
       RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
       execute(ftask);
       return ftask;
   }

2) Submit 传入的参数都被封装成了 FutureTask 类型来 execute 的，对应前面三个不同的参数类型都会封装成 FutureTask。

 
  protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
       return new FutureTask<T>(callable);
   }

3) Executor 接口中定义的 execute 方法的作用就是执行提交的任务，该方法在抽象类 AbstractExecutorService 中没有实现，留到子类中实现。我们观察下子类 ThreadPoolExecutor，使用最广泛的线程池如何来 execute 那些 submit 的任务的。这个方法看着比较简单，但是线程池什么时候创建新的作业线程来处理任务，什么时候只接收任务不创建作业线程，另外什么时候拒绝任务。线程池的接收任务、维护工作线程的策略都要在其中体现。

作为必要的预备知识，先补充下 ThreadPoolExecutor 有两个最重要的集合属性，分别是存储接收任务的任务队列和用来干活的作业集合。

 
// 任务队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
// 作业线程集合
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

其中阻塞队列 workQueue 是来存储待执行的任务的，在构造线程池时可以选择满足该 BlockingQueue 接口定义的 SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue 或者 DelayedWorkQueue 等不同阻塞队列来实现不同特征的线程池。

关注下 execute(Runnable command) 方法中调用到的 addIfUnderCorePoolSize，workQueue.offer(command) ， ensureQueuedTaskHandled(command)，addIfUnderMaximumPoolSize(command) 这几个操作。尤其几个名字较长的 private 方法，把方法名的驼峰式的单词分开，加上对方法上下文的了解就能理解其功能。

因为前面说到的几个方法在里面即是操作，又返回一个布尔值，影响后面的逻辑，所以不大方便在方法体中为每条语句加注释来说明，需要大致关联起来看。所以首先需要把 execute 方法的主要逻辑说明下，再看其中各自方法的作用。

• 如果线程池的状态是 RUNNING，线程池的大小小于配置的核心线程数，说明还可以创建新线程，则启动新的线程执行这个任务。
• 如果线程池的状态是 RUNNING ，线程池的大小小于配置的最大线程数，并且任务队列已经满了，说明现有线程已经不能支持当前的任务了，并且线程池还有继续扩充的空间，就可以创建一个新的线程来处理提交的任务。
• 如果线程池的状态是 RUNNING，当前线程池的大小大于等于配置的核心线程数，说明根据配置当前的线程数已经够用，不用创建新线程，只需把任务加入任务队列即可。如果任务队列不满，则提交的任务在任务队列中等待处理；如果任务队列满了则需要考虑是否要扩展线程池的容量。
• 当线程池已经关闭或者上面的条件都不能满足时，则进行拒绝策略，拒绝策略在 RejectedExecutionHandler 接口中定义，可以有多种不同的实现。

上面其实也是对最主要思路的解析，详细展开可能还会更复杂。简单梳理下思路：构建线程池时定义了一个额定大小，当线程池内工作线程数小于额定大小，有新任务进来就创建新工作线程，如果超过该阈值，则一般就不创建了，只是把接收任务加到任务队列里面。但是如果任务队列里的任务实在太多了，那还是要申请额外的工作线程来帮忙。如果还是不够用就拒绝服务。这个场景其实也是每天我们工作中会碰到的场景。我们管人的老大，手里都有一定 HC（Head Count），当上面老大有活分下来，手里人不够，但是不超过 HC，我们就自己招人；如果超过了还是忙不过来，那就向上门老大申请借调人手来帮忙；如果还是干不完，那就没办法了，新任务咱就不接了。

 
public void execute(Runnable command) {
       if (command == null)
           throw new NullPointerException();
       if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
           if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
               if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                   ensureQueuedTaskHandled(command);
           }
           else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
               reject(command); // is shutdown or saturated
       }
}

4) addIfUnderCorePoolSize 方法检查如果当前线程池的大小小于配置的核心线程数，说明还可以创建新线程，则启动新的线程执行这个任务。

 
  private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
       Thread t = null;
      // 如果当前线程池的大小小于配置的核心线程数，说明还可以创建新线程
           if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
     // 则启动新的线程执行这个任务
               t = addThread(firstTask);        
       return t != null;
   }

5) 和上一个方法类似，addIfUnderMaximumPoolSize 检查如果线程池的大小小于配置的最大线程数，并且任务队列已经满了（就是 execute 方法试图把当前线程加入任务队列时不成功），说明现有线程已经不能支持当前的任务了，但线程池还有继续扩充的空间，就可以创建一个新的线程来处理提交的任务。

 
   private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {
          // 如果线程池的大小小于配置的最大线程数，并且任务队列已经满了（就
是 execute 方法中试图把当前线程加入任务队列 workQueue.offer(command) 时候不成功
）, 说明现有线程已经不能支持当前的任务了，但线程池还有继续扩充的空间       
           if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)
         // 就可以创建一个新的线程来处理提交的任务
           t = addThread(firstTask);           
       return t != null;
   }

6) 在 ensureQueuedTaskHandled 方法中，判断如果当前状态不是 RUNING，则当前任务不加入到任务队列中，判断如果状态是停止，线程数小于允许的最大数，且任务队列还不空，则加入一个新的工作线程到线程池来帮助处理还未处理完的任务。

 
private void ensureQueuedTaskHandled(Runnable command) {
           //  如果当前状态不是 RUNING，则当前任务不加入到任务队列中，判断如
果状态是停止，线程数小于允许的最大数，且任务队列还不空
            if (state < STOP &&
                    poolSize < Math.max(corePoolSize, 1) &&
                    !workQueue.isEmpty())
           // 则加入一个新的工作线程到线程池来帮助处理还未处理完的任务
               t = addThread(null);
       if (reject)
           reject(command);
   }

7) 在前面方法中都会调用 adThread 方法创建一个工作线程，差别是创建的有些工作线程上面关联接收到的任务 firstTask，有些没有。该方法为当前接收到的任务 firstTask 创建 Worker，并将 Worker 添加到作业集合 HashSet workers 中，并启动作业。

 
private Thread addThread(Runnable firstTask) {
       // 为当前接收到的任务 firstTask 创建 Worker
       Worker w = new Worker(firstTask);
       Thread t = threadFactory.newThread(w);
           w.thread = t;
      // 将 Worker 添加到作业集合 HashSet<Worker> workers 中，并启动作业
           workers.add(w);
               t.start();
       return t;
   }

至此，任务提交过程简单描述完毕，并介绍了任务提交后 ExecutorService 框架下线程池的主要应对逻辑，其实就是接收任务，根据需要创建或者维护管理线程。

维护这些工作线程干什么用？先不用看后面的代码，想想我们老大每月辛苦地把老板丰厚的薪水递到我们手里，定期还要领着大家出去 happy 下，又是定期的关心下个人生活，所有做的这些都是为什么呢？木讷的代码工不往这边使劲动脑子，但是猜还是能猜的到的，就让干活呗。本文想着重表达细节，诸如线程池里的 Worker 是怎么工作的，Task 到底是不是在这些工作线程中执行的，如何保证执行完成后，外面等待任务的老大拿到想要结果，我们将在下篇文章中详细介绍。

作者简介

张超盟，an ExTrender，‍CS 数据管理方向工学硕士。与妻儿蜗居于钱江畔，就职一初创安全公司任数据服务团队负责人，做数据(存储、挖掘、服务) 方面研发。爱数据，爱代码，爱技术，爱豆吧！( idouba.net )。

感谢丁晓昀对本文的审校。

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