深入分析线程池的实现原理

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来源:jianshu.com/p/704a6c5d337c

一、概述

线程池,顾名思义就是存放线程的池子,池子里存放了很多可以复用的线程。

如果不用类似线程池的容器,每当我们需要执行用户任务的时候都去创建新的线程,任务执行完之后线程就被回收了,这样频繁地创建和销毁线程会浪费大量的系统资源。

因此,线程池通过线程复用机制,并对线程进行统一管理,具有以下优点:

  • 降低系统资源消耗。通过复用已存在的线程,降低线程创建和销毁造成的消耗;- 提高响应速度。当有任务到达时,无需等待新线程的创建便能立即执行;- 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗大量系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行对线程进行统一的分配、调优和监控。
    ThreadPoolExecutor是线程池框架的一个核心类,本文通过对ThreadPoolExecutor源码的分析(基于JDK 1.8),来深入分析线程池的实现原理。

二、ThreadPoolExecutor类的属性

先从ThreadPoolExecutor类中的字段开始:

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// 线程池的控制状态,用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    //值为29,用来表示偏移量
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    //线程池的最大容量,其值的二进制为:00011111111111111111111111111111(29个1)
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

    // 线程池的运行状态,总共有5个状态,用高3位来表示
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

    //任务缓存队列,用来存放等待执行的任务
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    //全局锁,对线程池状态等属性修改时需要使用这个锁
    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();

    //线程池中工作线程的集合,访问和修改需要持有全局锁
    private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

    // 终止条件
    private final Condition termination = mainLock.newCondition();

    //线程池中曾经出现过的最大线程数
    private int largestPoolSize;
    
    //已完成任务的数量
    private long completedTaskCount;

    //线程工厂
    private volatile ThreadFactory threadFactory;

    //任务拒绝策略
    private volatile RejectedExecutionHandler handler;

    //线程存活时间
    private volatile long keepAliveTime;

    //是否允许核心线程超时
    private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;

    //核心池大小,若allowCoreThreadTimeOut被设置,核心线程全部空闲超时被回收的情况下会为0
    private volatile int corePoolSize;

    //最大池大小,不得超过CAPACITY
    private volatile int maximumPoolSize;

    //默认的任务拒绝策略
    private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
        new AbortPolicy();

    private static final RuntimePermission shutdownPerm =
        new RuntimePermission("modifyThread");

    private final AccessControlContext acc;

在ThreadPoolExecutor类的这些属性中,线程池状态是控制线程池生命周期至关重要的属性,这里就以线程池状态为出发点进行研究。

通过上面的源码可知,线程池的运行状态总共有5种,其值和含义分别如下:

  • RUNNING:  高3位为111,接受新任务并处理阻塞队列中的任务- SHUTDOWN: 高3位为000,不接受新任务但会处理阻塞队列中的任务- STOP:高3位为001,不会接受新任务,也不会处理阻塞队列中的任务,并且中断正在运行的任务- TIDYING:  高3位为010,所有任务都已终止,工作线程数量为0,线程池将转化到TIDYING状态,即将要执行terminated()钩子方法- TERMINATED: 高3位为011,terminated()方法已经执行结束
    然而,线程池中并没有使用单独的变量来表示线程池的运行状态,而是使用一个AtomicInteger类型的变量ctl来表示线程池的控制状态,其将线程池运行状态与工作线程的数量打包在一个整型中,用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量,对ctl的操作主要参考以下几个函数:

// 通过与的方式,获取ctl的高3位,也就是线程池的运行状态
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    //通过与的方式,获取ctl的低29位,也就是线程池中工作线程的数量
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    //通过或的方式,将线程池状态和线程池中工作线程的数量打包成ctl
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
    //SHUTDOWN状态的值是0,比它大的均是线程池停止或清理状态,比它小的是运行状态
    private static boolean isRunning(int c) {
        return c < SHUTDOWN;
    }

接下来,我们看一下线程池状态的所有转换情况,如下:

  • RUNNING -> SHUTDOWN:调用shutdown(),可能在finalize()中隐式调用- (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP:调用shutdownNow()- SHUTDOWN -> TIDYING:当缓存队列和线程池都为空时- STOP -> TIDYING:当线程池为空时- TIDYING -> TERMINATED:当terminated()方法执行结束时
    通常情况下,线程池有如下两种状态转换流程:
  1. RUNNING -> SHUTDOWN -> TIDYING -> TERMINATED1. RUNNING -> STOP -> TIDYING -> TERMINATED

三、ThreadPoolExecutor类的构造方法

通常情况下,我们使用线程池的方式就是new一个ThreadPoolExecutor对象来生成一个线程池。接下来,先看ThreadPoolExecutor类的构造函数:


//间接调用最后一个构造函数,采用默认的任务拒绝策略AbortPolicy和默认的线程工厂
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue);
    //间接调用最后一个构造函数,采用默认的任务拒绝策略AbortPolicy
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory);
    //间接调用最后一个构造函数,采用默认的默认的线程工厂
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler);
    //前面三个分别调用了最后一个,主要的构造函数
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler);

接下来,看下最后一个构造函数的具体实现:


public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        //参数合法性校验
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //参数合法性校验
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        //初始化对应的属性
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

下面解释下一下构造器中各个参数的含义:

1. corePoolSize

线程池中的核心线程数。当提交一个任务时,线程池创建一个新线程执行任务,直到当前线程数等于corePoolSize;如果当前线程数为corePoolSize,继续提交的任务被保存到阻塞队列中,等待被执行。

2. maximumPoolSize

线程池中允许的最大线程数。如果当前阻塞队列满了,且继续提交任务,则创建新的线程执行任务,前提是当前线程数小于maximumPoolSize。

3. keepAliveTime

线程空闲时的存活时间。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0。

4. unit

keepAliveTime参数的时间单位。

5. workQueue

任务缓存队列,用来存放等待执行的任务。如果当前线程数为corePoolSize,继续提交的任务就会被保存到任务缓存队列中,等待被执行。

一般来说,这里的BlockingQueue有以下三种选择:

  • SynchronousQueue:一个不存储元素的阻塞队列,每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作,否则插入操作一直处于阻塞状态。因此,如果线程池中始终没有空闲线程(任务提交的平均速度快于被处理的速度),可能出现无限制的线程增长。- LinkedBlockingQueue:基于链表结构的阻塞队列,如果不设置初始化容量,其容量为Integer.MAX_VALUE,即为无界队列。因此,如果线程池中线程数达到了corePoolSize,且始终没有空闲线程(任务提交的平均速度快于被处理的速度),任务缓存队列可能出现无限制的增长。- ArrayBlockingQueue:基于数组结构的有界阻塞队列,按FIFO排序任务。

6. threadFactory

线程工厂,创建新线程时使用的线程工厂。

7. handler

任务拒绝策略,当阻塞队列满了,且线程池中的线程数达到maximumPoolSize,如果继续提交任务,就会采取任务拒绝策略处理该任务,线程池提供了4种任务拒绝策略:

  • AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常,默认策略;- CallerRunsPolicy:由调用execute方法的线程执行该任务;- DiscardPolicy:丢弃任务,但是不抛出异常;- DiscardOldestPolicy:丢弃阻塞队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)。当然也可以根据应用场景实现RejectedExecutionHandler接口,自定义饱和策略,如记录日志或持久化存储不能处理的任务。

四、线程池的实现原理

1. 提交任务

线程池框架提供了两种方式提交任务,submit()和execute(),通过submit()方法提交的任务可以返回任务执行的结果,通过execute()方法提交的任务不能获取任务执行的结果。

submit()方法的实现有以下三种:


public Future<?> submit(Runnable task);
    public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

下面以第一个方法为例简单看一下submit()方法的实现:


public Future<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

submit()方法是在ThreadPoolExecutor的父类AbstractExecutorService类实现的,最终还是调用的ThreadPoolExecutor类的execute()方法,下面着重看一下execute()方法的实现。


public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        //获取线程池控制状态
        int c = ctl.get();
        // (1)
        //worker数量小于corePoolSize
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            //创建worker,addWorker方法boolean参数用来判断是否创建核心线程
            if (addWorker(command, true))
                //成功则返回
                return;
            //失败则再次获取线程池控制状态
            c = ctl.get();
        }
        //(2)
       //线程池处于RUNNING状态,将任务加入workQueue任务缓存队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            // 再次检查,获取线程池控制状态,防止在任务入队的过程中线程池关闭了或者线程池中没有线程了
            int recheck = ctl.get();
            //线程池不处于RUNNING状态,且将任务从workQueue移除成功
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                //采取任务拒绝策略
                reject(command);
            //worker数量等于0
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                //创建worker
                addWorker(null, false);
        }
        //(3)
        else if (!addWorker(command, false))  //创建worker
            reject(command);  //如果创建worker失败,采取任务拒绝策略
    }

execute()方法的执行流程可以总结如下:

  • 若线程池工作线程数量小于corePoolSize,则创建新线程来执行任务- 若工作线程数量大于或等于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue- 若无法将任务加入BlockingQueue(BlockingQueue已满),且工作线程数量小于maximumPoolSize,则创建新的线程来执行任务- 若工作线程数量达到maximumPoolSize,则创建线程失败,采取任务拒绝策略
    可以结合下面的两张图来理解线程池提交任务的执行流程。

2. 创建线程

从execute()方法的实现可以看出,addWorker()方法主要负责创建新的线程并执行任务,代码实现如下:   


//addWorker有两个参数:Runnable类型的firstTask,用于指定新增的线程执行的第一个任务;boolean类型的core,表示是否创建核心线程
//该方法的返回值代表是否成功新增一个线程
 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // (1)
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                //线程数超标,不能再创建线程,直接返回
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                //CAS操作递增workCount
                //如果成功,那么创建线程前的所有条件校验都满足了,准备创建线程执行任务,退出retry循环
                //如果失败,说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程(往线程池提交任务可以是并发的),则继续往下执行
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                //重新获取线程池控制状态
                c = ctl.get();
                // 如果线程池的状态发生了变更,如有其他线程关闭了这个线程池,那么需要回到外层的for循环
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                //如果只是CAS操作失败的话,进入内层的for循环就可以了
            }
        }

        //到这里,创建线程前的所有条件校验都满足了,可以开始创建线程来执行任务
        //worker是否已经启动
        boolean workerStarted = false;
        //是否已将这个worker添加到workers这个HashSet中
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            //创建一个worker,从这里可以看出对线程的包装
            w = new Worker(firstTask);
            //取出worker中的线程对象,Worker的构造方法会调用ThreadFactory来创建一个新的线程
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                //获取全局锁, 并发的访问线程池workers对象必须加锁,持有锁的期间线程池也不会被关闭
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    //重新获取线程池的运行状态
                    int rs = runStateOf(ctl.get());

                    //小于SHUTTDOWN即RUNNING
                    //等于SHUTDOWN并且firstTask为null,不接受新的任务,但是会继续执行等待队列中的任务
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        //worker里面的thread不能是已启动的
                        if (t.isAlive())
                            throw new IllegalThreadStateException();
                       //将新创建的线程加入到线程池中
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        // 更新largestPoolSize
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                //线程添加线程池成功,则启动新创建的线程
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            //若线程启动失败,做一些清理工作,例如从workers中移除新添加的worker并递减wokerCount
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        //返回线程是否启动成功
        return workerStarted;
    }

因为代码(1)处的逻辑不利于理解,我们通过(1)的等价实现来理解:   


if (rs>=SHUTDOWN && !(rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
//等价实现
rs>=SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty())

其含义为,满足下列条件之一则直接返回false,线程创建失败:

  • rs > SHUTDOWN,也就是STOP,TIDYING或TERMINATED,此时不再接受新的任务,且中断正在执行的任务- rs = SHUTDOWN且firstTask != null,此时不再接受任务,但是仍会处理任务缓存队列中的任务- rs = SHUTDOWN,队列为空
    多说一句,若线程池处于 SHUTDOWN, firstTask 为 null,且 workQueue 非空,那么还得创建线程继续处理任务缓存队列中的任务。

总结一下,addWorker()方法完成了如下几件任务:

  1. 原子性的增加workerCount

  2. 将用户给定的任务封装成为一个worker,并将此worker添加进workers集合中

  3. 启动worker对应的线程

  4. 若线程启动失败,回滚worker的创建动作,即从workers中移除新添加的worker,并原子性的减少workerCount

****

3. 工作线程的实现

从addWorker()方法的实现可以看出,工作线程的创建和启动都跟ThreadPoolExecutor中的内部类Worker有关。下面我们分析Worker类来看一下工作线程的实现。

Worker类继承自AQS类,具有锁的功能;实现了Runable接口,可以将自身作为一个任务在线程中执行。


private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable

Worker的主要字段就下面三个,代码也比较简单。


//用来封装worker的线程,线程池中真正运行的线程,通过线程工厂创建而来
        final Thread thread;
        //worker所对应的第一个任务,可能为空
        Runnable firstTask;
        //记录当前线程完成的任务数
        volatile long completedTasks;

Worker的构造函数如下。


Worker(Runnable firstTask) {
            //设置AQS的state为-1,在执行runWorker()方法之前阻止线程中断
            setState(-1);
            //初始化第一个任务
            this.firstTask = firstTask;
            //利用指定的线程工厂创建一个线程,注意,参数是Worker实例本身this
            //也就是当执行start方法启动线程thread时,真正执行的是Worker类的run方法
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

Worker类继承了AQS类,重写了其相应的方法,实现了一个自定义的同步器,实现了不可重入锁。


//是否持有独占锁
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }
        //尝试获取锁
        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                //设置独占线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
        //尝试释放锁
        protected boolean tryRelease(int unused) {
            //设置独占线程为null
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        //获取锁
        public void lock()        { acquire(1); }
        //尝试获取锁
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        //释放锁
        public void unlock()      { release(1); }
        //是否持有锁
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }

Worker类还提供了一个中断线程thread的方法。


void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            //AQS状态大于等于0,worker对应的线程不为null,且该线程没有被中断
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }

再来看一下Worker类的run()方法的实现,会发现run()方法最终调用了ThreadPoolExecutor类的runWorker()方法。


public void run() {
            runWorker(this);
        }

4. 线程复用机制

通过上文可以知道,worker中的线程start 后,执行的是worker的run()方法,而run()方法最终会调用ThreadPoolExecutor类的runWorker()方法,runWorker()方法实现了线程池中的线程复用机制。下面我们来看一下runWorker()方法的实现。


final void runWorker(Worker w) {
        //获取当前线程
        Thread wt = Thread.currentThread();
        //获取w的firstTask
        Runnable task = w.firstTask;
        //设置w的firstTask为null
        w.firstTask = null;
        // 释放锁,设置AQS的state为0,允许中断
        w.unlock();
        //用于标识线程是否异常终止,finally中processWorkerExit()方法会有不同逻辑
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            //循环调用getTask()获取任务,不断从任务缓存队列获取任务并执行
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                //进入循环内部,代表已经获取到可执行的任务,则对worker对象加锁,保证线程在执行任务过程中不会被中断
                w.lock();
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||  //若线程池状态大于等于STOP,那么意味着该线程要中断
                     (Thread.interrupted() &&      //线程被中断
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&  //且是因为线程池内部状态变化而被中断
                    !wt.isInterrupted())           //确保该线程未被中断
                    //发出中断请求
                    wt.interrupt();
                try {
                    //开始执行任务前的Hook方法
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        //到这里正式开始执行任务
                        task.run();
                    } catch (RuntimeException x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Error x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Throwable x) {
                        thrown = x; throw new Error(x);
                    } finally {
                        //执行任务后的Hook方法
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    //置空task,准备通过getTask()获取下一个任务
                    task = null;
                    //completedTasks递增
                    w.completedTasks++;
                    //释放掉worker持有的独占锁
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            //到这里,线程执行结束,需要执行结束线程的一些清理工作
            //线程执行结束可能有两种情况:
            //1.getTask()返回null,也就是说,这个worker的使命结束了,线程执行结束
            //2.任务执行过程中发生了异常
            //第一种情况,getTask()返回null,那么getTask()中会将workerCount递减
            //第二种情况,workerCount没有进行处理,这个递减操作会在processWorkerExit()中处理
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

runWorker()方法是线程池的核心,实现了线程池中的线程复用机制,来看一下

runWorker()方法都做了哪些工作:

  1. 运行第一个任务firstTask之后,循环调用getTask()方法获取任务,不断从任务缓存队列获取任务并执行;

  2. 获取到任务之后就对worker对象加锁,保证线程在执行任务的过程中不会被中断,任务执行完会释放锁;

  3. 在执行任务的前后,可以根据业务场景重写beforeExecute()和afterExecute()等Hook方法;

  4. 执行通过getTask()方法获取到的任务

  5. 线程执行结束后,调用processWorkerExit()方法执行结束线程的一些清理工作

从runWorker()方法的实现可以看出,runWorker()方法中主要调用了getTask()方法和processWorkerExit()方法,下面分别看一下这两个方法的实现。

getTask()的实现

getTask()方法用来不断地从任务缓存队列获取任务并交给线程执行,下面分析一下其实现。 


private Runnable getTask() {
        //标识当前线程是否超时未能获取到task对象
        boolean timedOut = false;

        for (;;) {
            //获取线程池的控制状态
            int c = ctl.get();
            //获取线程池的运行状态
            int rs = runStateOf(c);

            //如果线程池状态大于等于STOP,或者处于SHUTDOWN状态,并且阻塞队列为空,线程池工作线程数量递减,方法返回null,回收线程
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            
            //获取worker数量
            int wc = workerCountOf(c);

            //标识当前线程在空闲时,是否应该超时回收
            // 如果allowCoreThreadTimeOut为ture,或当前线程数大于核心池大小,则需要超时回收
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            
            //如果worker数量大于maximumPoolSize(有可能调用了 setMaximumPoolSize(),导致worker数量大于maximumPoolSize)
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))  //或者获取任务超时
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {  //workerCount大于1或者阻塞队列为空(在阻塞队列不为空时,需要保证至少有一个工作线程)
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    //线程池工作线程数量递减,方法返回null,回收线程
                    return null;
                //线程池工作线程数量递减失败,跳过剩余部分,继续循环
                continue;
            }

            try {
                //如果允许超时回收,则调用阻塞队列的poll(),只在keepAliveTime时间内等待获取任务,一旦超过则返回null
                //否则调用take(),如果队列为空,线程进入阻塞状态,无限时等待任务,直到队列中有可取任务或者响应中断信号退出
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                //若task不为null,则返回成功获取的task对象
                if (r != null)
                    return r;
                // 若返回task为null,表示线程空闲时间超时,则设置timeOut为true
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                //如果此worker发生了中断,采取的方案是重试,没有超时
                //在哪些情况下会发生中断?调用setMaximumPoolSize(),shutDown(),shutDownNow()
                timedOut = false;
            }
        }
    }

接下来总结一下getTask()方法会在哪些情况下返回:

  1. 线程池处于RUNNING状态,阻塞队列不为空,返回成功获取的task对象

  2. 线程池处于SHUTDOWN状态,阻塞队列不为空,返回成功获取的task对象

  3. 线程池状态大于等于STOP,返回null,回收线程

  4. 线程池处于SHUTDOWN状态,并且阻塞队列为空,返回null,回收线程

  5. worker数量大于maximumPoolSize,返回null,回收线程

  6. 线程空闲时间超时,返回null,回收线程

processWorkerExit()的实现

processWorkerExit()方法负责执行结束线程的一些清理工作,下面分析一下其实现。


private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        //如果用户任务执行过程中发生了异常,则需要递减workerCount
        if (completedAbruptly)
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        //获取全局锁
        mainLock.lock();
        try {
            //将worker完成任务的数量累加到总的完成任务数中
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            //从workers集合中移除该worker
            workers.remove(w);
        } finally {
            //释放锁
            mainLock.unlock();
        }
        //尝试终止线程池
        tryTerminate();
        //获取线程池控制状态
        int c = ctl.get();
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {  //线程池运行状态小于STOP
            if (!completedAbruptly) {  //如果用户任务执行过程中发生了异常,则直接调用addWorker()方法创建线程
                //是否允许核心线程超时
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                //允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空,那线程池中至少有一个工作线程
                if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                //如果工作线程数量workerCount大于等于核心池大小corePoolSize,
                //或者允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空时,线程池中至少有一个工作线程,直接返回
                if (workerCountOf(c) >= min)
                    return;
                //若不满足上述条件,则调用addWorker()方法创建线程
            }
            //创建新的线程取代当前线程
            addWorker(null, false);
        }
    }

processWorkerExit()方法中主要调用了tryTerminate()方法,下面看一下tryTerminate()方法的实现。


final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            //获取线程池控制状态
            int c = ctl.get();
            if (isRunning(c) ||    //线程池的运行状态为RUNNING
                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||    //线程池的运行状态大于等于TIDYING
                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))  //线程池的运行状态为SHUTDOWN且阻塞队列不为空
                //不能终止,直接返回
                return;

            //只有当线程池的运行状态为STOP,或线程池运行状态为SHUTDOWN且阻塞队列为空时,可以执行到这里
            //如果线程池工作线程的数量不为0
            if (workerCountOf(c) != 0) {
                //仅仅中断一个空闲的worker
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }

            //只有当线程池工作线程的数量为0时可以执行到这里
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            //获取全局锁
            mainLock.lock();
            try {
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {  //CAS操作设置线程池运行状态为TIDYING,工作线程数量为0
                    try {
                        //执行terminated()钩子方法
                        terminated();
                    } finally {
                        //设置线程池运行状态为TERMINATED,工作线程数量为0
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        //唤醒在termination条件上等待的所有线程
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                //释放锁
                mainLock.unlock();
            }
            //若CAS操作失败则重试
        }
    }

tryTerminate()方法的作用是尝试终止线程池,它会在所有可能终止线程池的地方被调用,满足终止线程池的条件有两个:首先,线程池状态为STOP,或者为SHUTDOWN且任务缓存队列为空;其次,工作线程数量为0。

满足了上述两个条件之后,tryTerminate()方法获取全局锁,设置线程池运行状态为TIDYING,之后执行terminated()钩子方法,最后设置线程池状态为TERMINATED。

至此,线程池运行状态变为TERMINATED,工作线程数量为0,workers已清空,且workQueue也已清空,所有线程都执行结束,线程池的生命周期到此结束。

5. 关闭线程池

关闭线程池有两个方法,shutdown()和shutdownNow(),下面分别看一下这两个方法的实现。

shutdown()的实现

shutdown()方法将线程池运行状态设置为SHUTDOWN,此时线程池不会接受新的任务,但会处理阻塞队列中的任务。


public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        //获取全局锁
        mainLock.lock();
        try {
            //检查shutdown权限
            checkShutdownAccess();
            //设置线程池运行状态为SHUTDOWN
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            //中断所有空闲worker
            interruptIdleWorkers();
            //用onShutdown()钩子方法
            onShutdown();
        } finally {
            //释放锁
            mainLock.unlock();
        }
        //尝试终止线程池
        tryTerminate();
    }

shutdown()方法首先会检查是否具有shutdown的权限,然后设置线程池的运行状态为SHUTDOWN,之后中断所有空闲的worker,再调用onShutdown()钩子方法,最后尝试终止线程池。

shutdown()方法调用了interruptIdleWorkers()方法中断所有空闲的worker,其实现如下。


private void interruptIdleWorkers() {
        interruptIdleWorkers(false);
    }

    //onlyOne标识是否只中断一个线程
    private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        //获取全局锁
        mainLock.lock();
        try {
            //遍历workers集合
            for (Worker w : workers) {
                //worker对应的线程
                Thread t = w.thread;
                //线程未被中断且成功获得锁
                if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                    try {
                        //发出中断请求
                        t.interrupt();
                    } catch (SecurityException ignore) {
                    } finally {
                        //释放锁
                        w.unlock();
                    }
                }
                //若只中断一个线程,则跳出循环
                if (onlyOne)
                    break;
            }
        } finally {
            //释放锁
            mainLock.unlock();
        }
    }

shutdownNow()的实现

shutdownNow()方法将线程池运行状态设置为STOP,此时线程池不会接受新任务,也不会处理阻塞队列中的任务,并且中断正在运行的任务。


public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        //获取全局锁
        mainLock.lock();
        try {
            //检查shutdown权限
            checkShutdownAccess();
            //设置线程池运行状态为STOP
            advanceRunState(STOP);
            //中断所有worker
            interruptWorkers();
            //将任务缓存队列中等待执行的任务取出并放到list中
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            //释放锁
            mainLock.unlock();
        }
        //尝试终止线程池
        tryTerminate();
        //返回任务缓存队列中等待执行的任务列表
        return tasks;
    }

shutdownNow()方法与shutdown()方法相似,不同之处在于,前者设置线程池的运行状态为STOP,之后中断所有的worker(并非只是空闲的worker),尝试终止线程池之后,返回任务缓存队列中等待执行的任务列表。

shutdownNow()方法调用了interruptWorkers()方法中断所有的worker(并非只是空闲的worker),其实现如下。


private void interruptWorkers() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        //获取全局锁
        mainLock.lock();
        try {
            //遍历workers集合
            for (Worker w : workers)
                //调用Worker类的interruptIfStarted()方法中断线程
                w.interruptIfStarted();
        } finally {
            //释放锁
            mainLock.unlock();
        }
    }

五、总结

至此,我们已经阅读了线程池框架的核心类ThreadPoolExecutor类的大部分源码,由衷地赞叹这个类很多地方设计的巧妙之处:

  • 将线程池的运行状态和工作线程数量打包在一起,并使用了大量的位运算- 使用CAS操作更新线程控制状态ctl,确保对ctl的更新是原子操作- 内部类Worker类继承了AQS,实现了一个自定义的同步器,实现了不可重入锁- 使用while循环自旋地从任务缓存队列中获取任务并执行,实现了线程复用机制- 调用interrupt()方法中断线程,但注意该方法并不能直接中断线程的运行,只是发出了中断信号,配合BlockingQueue的take(),poll()方法的使用,打断线程的阻塞状态
    其实,线程池的本质就是生产者消费者模式,线程池的调用者不断向线程池提交任务,线程池里面的工作线程不断获取这些任务并执行(从任务缓存队列获取任务或者直接执行任务)。

读完本文,相信大家对线程池的实现原理有了深刻的认识,比如向线程池提交一个任务之后线程池的执行流程,一个任务从被提交到被执行会经历哪些过程,一个工作线程从被创建到正常执行到执行结束的执行过程,等等。

最后,再附上我历时三个月总结的 Java 面试 + Java 后端技术学习指南,笔者这几年及春招的总结,github 1.4k star,拿去不谢!

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原文链接:blog.ouyangsihai.cn >> 深入分析线程池的实现原理


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