三分钟掌握 Java 线程池 Executor 框架的体系结构

Executor框架是Java并发包中用于解耦任务提交和执行的重要部分。

• 顶层接口是Executor，它只有一个execute方法。
• 然后是ExecutorService，扩展了Executor，增加了生命周期管理和任务跟踪的方法。
• ThreadPoolExecutor则是具体的实现类。

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Executor框架体系结构详解

Java线程池的核心设计基于Executor框架，这是一个典型的命令模式实现，将任务提交与执行逻辑解耦。其核心类/接口的层次结构如下：

             (顶层接口)Executor↑ExecutorService (扩展接口)↑AbstractExecutorService (抽象类)↑ThreadPoolExecutor (核心实现类)

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1. Executor 接口

定位：任务执行的抽象（定义执行标准）
核心方法：

void execute(Runnable command);

关键特性：

• 仅定义一个标准：如何执行Runnable任务
• 不强制要求异步执行（例如，可用直接调用command.run()）
• 设计意义：解耦任务提交与执行策略（单线程/线程池/远程执行等）

示例：

Executor directExecutor = command -> command.run(); // 同步执行
Executor threadPerTaskExecutor = command -> new Thread(command).start(); // 每个任务新线程

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2. ExecutorService 接口

定位：增强型执行服务（扩展生命周期管理、任务跟踪）
扩展功能：

• 管理线程池状态（启动、关闭、终止）
• 支持返回Future的任务提交方式（submit()方法）
• 批量任务处理（invokeAll()/invokeAny()）

核心方法：

void shutdown();                     // 优雅关闭（处理已提交任务）
List<Runnable> shutdownNow();        // 立即终止（返回未处理任务）
boolean isShutdown();                // 是否已关闭
<T> Future<T> submit(Callable<T> task); // 提交有返回值的任务
// ...其他方法

典型实现：

• ThreadPoolExecutor：标准线程池实现
• ForkJoinPool：分治任务专用线程池（Java 7+）
• ScheduledThreadPoolExecutor：支持定时/周期性任务

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3. AbstractExecutorService 抽象类

定位：ExecutorService的默认骨架实现
作用：

• 实现submit()/invokeAll()等通用方法
• 将Runnable任务包装为Callable
• 留空execute()方法供具体实现类重写

关键代码片段：

public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);execute(ftask); // 最终调用子类实现的execute()return ftask;
}

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4. ThreadPoolExecutor 类

定位：标准线程池实现（核心类）
核心机制：

• 线程池状态控制（通过AtomicInteger同时存储状态和线程数）：
  • RUNNING：接收新任务，处理队列任务
  • SHUTDOWN：不接收新任务，处理队列任务
  • STOP：不接收新任务，不处理队列任务，中断进行中任务
  • TIDYING/TERMINATED：过渡状态
• 任务处理流程：
  1. 核心线程未满 → 创建新线程
  2. 核心线程已满 → 任务入队列
  3. 队列已满且线程数未达最大值 → 创建非核心线程
  4. 队列已满且线程数达最大值 → 触发拒绝策略

与框架的集成：

• 继承AbstractExecutorService，实现所有提交任务的方法
• 通过execute()方法实现具体任务调度逻辑

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体系结构关系图（完整版）

%%{init: {'theme': 'neutral'}}%% classDiagramdirection TB%% 核心接口与类class Executor {<<interface>>+execute(Runnable command) void}class ExecutorService {<<interface>>+shutdown() void+shutdownNow() List~Runnable~+submit(Callable<T> task) Future<T>+invokeAll(...) List~Future<T>~+...其他方法}class AbstractExecutorService {<<abstract>>+submit(Runnable task) Future<?>+invokeAll(...) 实现#newTaskFor(...) RunnableFuture<T>+...模板方法}class ThreadPoolExecutor {-corePoolSize: int-maximumPoolSize: int-workQueue: BlockingQueue<Runnable>+execute(Runnable command) void+shutdown() void+...线程池核心实现}class ScheduledExecutorService {<<interface>>+schedule(...) ScheduledFuture<?>+scheduleAtFixedRate(...) +...定时任务方法}class ScheduledThreadPoolExecutor {+schedule(...) 实现+...定时任务扩展实现}%% 工厂类class Executors {+newFixedThreadPool() ExecutorService+newCachedThreadPool() ExecutorService+newScheduledThreadPool() ScheduledExecutorService+...工厂方法}%% 关系定义Executor <|-- ExecutorServiceExecutorService <|.. AbstractExecutorServiceAbstractExecutorService <|-- ThreadPoolExecutorExecutorService <|-- ScheduledExecutorServiceScheduledExecutorService <|.. ScheduledThreadPoolExecutorExecutors ..> ThreadPoolExecutor : 创建Executors ..> ScheduledThreadPoolExecutor : 创建%% 实现关系说明note for ThreadPoolExecutor "实现任务调度核心逻辑\n- 线程复用机制\n- 队列管理策略\n- 拒绝策略处理"note for Executors "工具类提供：\n- newFixedThreadPool()\n- newCachedThreadPool()\n- newSingleThreadExecutor()"

图解说明：

1. 接口用<<interface>>标记，抽象类用<<abstract>>
2. 实线空心箭头表示继承（extends）
3. 虚线空心箭头表示实现（implements）
4. 虚线箭头表示依赖关系
5. 核心实现类ThreadPoolExecutor包含关键字段和方法
6. 右侧注释块使用note for语法添加关键说明

关键设计思想

1. 接口隔离原则：
   • Executor仅定义执行标准
   • ExecutorService扩展管理功能
2. 模板方法模式：
   • AbstractExecutorService实现通用逻辑
   • 子类只需实现execute()等关键方法
3. 资源控制：
   • 通过BlockingQueue控制任务堆积
   • 通过RejectedExecutionHandler处理过载

使用建议：直接使用ThreadPoolExecutor构造函数创建线程池（而非Executors工厂方法），以明确控制所有参数，避免资源耗尽风险。