概述
做后端的应该都知道线程池，即使你没亲自使用过，那也一定听过或者了解过。有时候也会去深入理解，结果往往是当时觉得自己理解了，过一段时间就忘了。因为在日常的开发中，我们都不需要用到线程池，很多都是使用的工具和框架写好，我们直接调接口就完事了。
很多东西没有亲自实践和深入的思考过的，单单看文章和书籍是不可能真正的理解的。以前我看了好多次线程池相关的文章，然后过个半年忘得差不多，又重新看，结果还是没有真正的理解。所以，我就打算动手实践一番，既然平时开发的时候用不到，那我就自己做一个项目来用上。
说做就做，我就选了一个Redis分布式锁作为练手项目，里面有一个定时续期的功能，就是使用线程池定时的运行提交的任务，将key续期，详细的不说了，想了解可以看这个 Redis分布式锁的实现-Redisson。
在实现Redis续期功能的时候，一边看别人定时任务怎么实现的，一边看线程池的源码。这时候我仿佛打开了新世界的大门，彻底理解了线程池运行逻辑，也了解了一些线程池设计的艺术。
接下来我想以一个设计者的角度，带领大家从零去设计和实现一个线程池，一步一个脚印，彻底的理解线程池的实现以及一些设计的艺术。
线程池出现的目的和意义
我们要明白，任何技术都是为了解决问题而出现的。那么线程池的出现解决了什么问题呢，答案是：解决了线程资源复用的问题。
如果没有线程池，我们处理一个任务就要新开一个线程去执行，当任务完成时，该线程就停止了。如果说这个任务是重复的，总不能来一个就新建一个线程吧，多浪费，而且线程是稀缺资源，重复的创建销毁很耗时间。
有了线程池，我们就可以建立几个固定线程。有任务来了唤醒闲置的线程去处理，任务处理完成后继续处理后续的任务，如果暂时没有任务，可以将线程休眠，有新任务时再唤醒。这样一来就可以更高效的利用线程资源，提高系统并发效率。
任务：抽象的工作单元
在程序中，都是围绕着任务执行来构造的，任务通常是一些抽象的工作单元。比如可以把一个 http请求 当做是一个任务，把一次与数据库的交互当做任务等等。在线程池中，我们把要处理的东西抽象成一个任务单元， 这样可以简化线程池的结构，以此更好的构建线程池的模型。
线程：抽象的工作者
在线程池中，我们可以把每一个线程当做是一个worker，即"工人"的意思。它会不断的尝试获得任务来执行，如果没有任务，则休眠或者做其他处理。
线程池的功能设计
那么，线程池通常要具备和提供什么功能呢，这里把核心的功能需求给罗列一下：
线程池的开启和关闭
线程池作为一个工具，需要有自己的生命周期，可以抽象成三个：
- 开启状态
- 运行状态
- 结束状态
其中结束状态下线程池的处理和考虑的东西要多一些，执行完线程池的关闭接口后：
- 正在运行的任务怎么处理？
- 在任务队列的任务要怎么处理？
- 此时线程池是否还能继续添加任务？
这些东西都是要考虑的并且去处理的。在Java的ExecutorService 提供了两个关闭接口
shutdown: 有序的关闭，已提交的任务会被逐一处理，但不会接受任何新任务shutdownNow: 尝试停止所有正在执行的任务，放弃在队列中等待的任务，并返回正在等待执行的任务列表
线程的构建和管理
线程池里线程该怎么构建，构建完后怎么管理，是固定的几个还是动态的构建。这里给出几个模式：
固定的线程数量：在线程池启动时就构建固定数量的线程池，且不会关闭任何线程动态构建线程：启动时不新建任何线程，当有任务来临时才会去创建线程。如果任务比较少，则不会继续新建线程，如果任务比较多，则继续构建线程数，直到数量达到最大值。有闲置期限的线程：线程在构建时会有一个闲置的期限，当闲置的时间超过期限时，该线程就会进行回收处理。这个在数据库连接池比较常用到单个线程：只有一个线程，任务按提交的时间顺序执行。
任务管理
在线程池中，会建立一个任务队列，当没有空闲线程时，新来的任务会放到队列中，等待线程执行。
线程池要提供任务执行的接口。
另外，很多任务都会将处理结果作为返回值的，这时任务要有一个完成后的处理机制，在任务完成时做某些操作。（这里就要涉及到FutureTask相关概念了）
任务相关的功能如下：
- 任务的提交
- 任务处理结果
- 任务的取消和中断
线程池模型的构建
梳理了线程池的一些基本功能和要考虑的点，那么线程池的执行过程是怎样，要怎么设计呢。废话不说，直接上图:
当有新任务时查看是否有空闲线程，如果有，直接处理，如果没有则放到任务队列中，等待线程处理。
其实梳理一下线程池，可以发现它的逻辑并不复杂，复杂的是各种情况的处理，比如线程怎么管理，任务取消怎么处理，线程中断如何处理等等，还有各种并发操作的处理。
使用代码实现简易的线程池
接下来实现一个固定数量的线程池，实现的功能如下：
线程池要提供的接口
- 任务的提交
线程池内部要实现的功能
- 任务队列的实现
- 线程管理
咱们暂时将线程池的核心功能简单的实现，了解线程池的执行逻辑，其他的之后慢慢添加。
创建任务单元
首先将任务单元给实现了，直接实现Runnable 接口即可。
当然，可以不实现 Runnable 接口，随便写一个类，给一个执行接口，但是呢这样线程池就不够通用了，还是直接实现Runnable接口，往后任意实现该接口的任务都可以交给线程池执行。
static class Task implements Runnable{
private int tag;
public Task(int tag){
this.tag = tag;
}
@Override
public void run() {
System.out.printf("任务 %d 开始执行 \n",tag);
System.out.printf("任务 %d 执行中 \n",tag);
System.out.printf("任务 %d 执行结束\n",tag);
}
}
复制代码线程池的实现
详细的说明在注释中，看注释就可以了
package steap1;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ThreadPoolExecutor {
//工作线程数组
private Worker[] workers;
//任务阻塞队列,是线程安全的，里面每个操作都会加锁处理
private BlockingQueue<Task> queue;
// 当前工作线程的数量
private int workerSize = 0;
//线程池最大的工作线程数量
private int poolSize;
public ThreadPoolExecutor(int poolSize, BlockingQueue<Task> queue) {
this.poolSize = poolSize;
this.workers = new Worker[poolSize];
this.queue = queue;
}
//任务添加接口
public void execute(Task task) {
//如果线程池的线程数量小于最大值，则添加线程
//否则将任务放入队列中
if (workerSize < poolSize) {
addWorker(task);
} else {
this.queue.add(task);
}
}
//添加worker工作线程，并立即执行
private synchronized void addWorker(Task task) {
//这里做个双重判定，判定线程数量是否小于最大值
if (workerSize >= poolSize) {
this.queue.add(task);
return;
}
//构建worker，并启动线程
workers[workerSize] = new Worker(task);
workers[workerSize].t.start();
workerSize++;
}
//实际运行的代码
void runWorker(Worker worker){
Task task =(Task) worker.task;
try {
while (true){
//线程在这个循环中不断的获取任务来执行
// queue.task() 方法是一个线程安全的阻塞方法
//如果队列没有任务，那么所有工作线程都会在这里阻塞，等待获取可用的任务
if(task == null){
task = this.queue.take();
}
task.run();
task = null;
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
//工作线程包装类
private class Worker implements Runnable {
private Runnable task;
final Thread t;
public Worker(Runnable task) {
this.task = task;
this.t = new Thread(this);
}
@Override
public void run() {
runWorker(this);
}
}
//任务类
static class Task implements Runnable {
private int tag;
public Task(int tag) {
this.tag = tag;
}
@Override
public void run() {
System.out.printf("任务 %d 开始执行 \n", tag);
System.out.printf("任务 %d 执行中 \n", tag);
System.out.printf("任务 %d 执行结束\n", tag);
}
}
}
复制代码简单的使用
public static void main(String[] args){
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(8,new LinkedBlockingQueue<>());
for(int i=0;i<1000;i++){
executor.execute(new ThreadPoolExecutor.Task(i));
}
}
复制代码执行结果
任务 923 开始执行
任务 923 执行中
任务 923 执行结束
任务 912 开始执行
任务 912 执行中
任务 912 执行结束
复制代码总结
至此，一个简单的线程池就编写完毕，线程池主要的功能都实现了，整个执行过程也进行了详细的描述。
其实这里还有很多东西没写上，线程的生命周期管理，任务的取消和线程的中断等等，这些东西在下一篇章完善吧。
结尾附上项目的源代码，本章的内容在step1中。