一、线程池状态
ThreadPoolExecutor 是 JDK 中的线程池实现,这个类实现了一个线程池需要的各个方法,它实现了任务提交、线程管理、监控等等方法。
原理图:
private final AtomicIntegerctl =new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 这里 COUNT_BITS 设置为 29(32-3),意味着前三位用于存放线程状态,后29位用于存放线程数
// 很多初学者很喜欢在自己的代码中写很多 29 这种数字,或者某个特殊的字符串,然后分布在各个地方,这是非常糟糕的
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE -3;
// 000 11111111111111111111111111111
// 这里得到的是 29 个 1,也就是说线程池的最大线程数是 2^29-1=536870911
// 以我们现在计算机的实际情况,这个数量还是够用的
private static final int CAPACITY = (1 <
// 我们说了,线程池的状态存放在高 3 位中
// 运算结果为 111跟29个0:111 00000000000000000000000000000
private static final int RUNNING = -1 <
// 000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN =0 <
// 001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP =1 <
// 010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING =2 <
// 011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED =3 <
// 将整数 c 的低 29 位修改为 0,就得到了线程池的状态
private static int runStateOf(int c) {return c & ~CAPACITY; }
// 将整数 c 的高 3 为修改为 0,就得到了线程池中的线程数
private static int workerCountOf(int c) {return c &CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) {return rs | wc; }
/*
* Bit field accessors that don't require unpacking ctl.
* These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.
*/
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
return c < s;
}
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
return c >= s;
}
private static boolean isRunning(int c) {
return c
}
RUNNING:这个没什么好说的,这是最正常的状态:接受新的任务,处理等待队列中的任务
SHUTDOWN:不接受新的任务提交,但是会继续处理等待队列中的任务
STOP:不接受新的任务提交,不再处理等待队列中的任务,中断正在执行任务的线程
TIDYING:所有的任务都销毁了,workCount 为 0。线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时,会执行钩子方法 terminated()
TERMINATED:terminated() 方法结束后,线程池的状态就会变成这个
二、Worker对象设计
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
private static final long serialVersionUID =6138294804551838833L;
// 这个是真正的线程,任务靠你啦
final Threadthread;
// 前面说了,这里的 Runnable 是任务。为什么叫 firstTask?因为在创建线程的时候,如果同时指定了
// 这个线程起来以后需要执行的第一个任务,那么第一个任务就是存放在这里的(线程可不止执行这一个任务)
// 当然了,也可以为 null,这样线程起来了,自己到任务队列(BlockingQueue)中取任务(getTask 方法)就行了
RunnablefirstTask;
// 用于存放此线程完全的任务数,注意了,这里用了 volatile,保证可见性
volatile long completedTasks;
// Worker 只有这一个构造方法,传入 firstTask,也可以传 null
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
// 调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
// 这里调用了外部类的 runWorker 方法
public void run() {
runWorker(this);
}
...// 其他几个方法没什么好看的,就是用 AQS 操作,来获取这个线程的执行权,用了独占锁
}
三、execute
public void execute(Runnable command) {
if (command ==null)
throw new NullPointerException();
// 前面说的那个表示 “线程池状态” 和 “线程数” 的整数
int c = ctl.get();
// 如果当前线程数少于核心线程数,那么直接添加一个 worker 来执行任务,
// 创建一个新的线程,并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任务成功,那么就结束了。提交任务嘛,线程池已经接受了这个任务,这个方法也就可以返回了
// 至于执行的结果,到时候会包装到 FutureTask 中。
// 返回 false 代表线程池不允许提交任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到这里说明,要么当前线程数大于等于核心线程数,要么刚刚 addWorker 失败了
// 如果线程池处于 RUNNING 状态,把这个任务添加到任务队列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
/* 这里面说的是,如果任务进入了 workQueue,我们是否需要开启新的线程
* 因为线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新的线程
* 如果线程数已经大于等于 corePoolSize,那么将任务添加到队列中,然后进到这里
*/
int recheck = ctl.get();
// 如果线程池已不处于 RUNNING 状态,那么移除已经入队的这个任务,并且执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果线程池还是 RUNNING 的,并且线程数为 0,那么开启新的线程
// 到这里,我们知道了,这块代码的真正意图是:担心任务提交到队列中了,但是线程都关闭了
else if (workerCountOf(recheck) ==0)
addWorker(null, false);
}
// 如果 workQueue 队列满了,那么进入到这个分支
// 以 maximumPoolSize 为界创建新的 worker,
// 如果失败,说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize,执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
四、添加任务
// 第一个参数是准备提交给这个线程执行的任务,之前说了,可以为 null
// 第二个参数为 true 代表使用核心线程数 corePoolSize 作为创建线程的界线,也就说创建这个线程的时候,
// 如果线程池中的线程总数已经达到 corePoolSize,那么不能响应这次创建线程的请求
// 如果是 false,代表使用最大线程数 maximumPoolSize 作为界线
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 这个非常不好理解
// 如果线程池已关闭,并满足以下条件之一,那么不创建新的 worker:
// 1. 线程池状态大于 SHUTDOWN,其实也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
// 2. firstTask != null
// 3. workQueue.isEmpty()
// 简单分析下:
// 还是状态控制的问题,当线程池处于 SHUTDOWN 的时候,不允许提交任务,但是已有的任务继续执行
// 当状态大于 SHUTDOWN 时,不允许提交任务,且中断正在执行的任务
// 多说一句:如果线程池处于 SHUTDOWN,但是 firstTask 为 null,且 workQueue 非空,那么是允许创建 worker 的
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask ==null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 如果成功,那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了,准备创建线程执行任务了
// 这里失败的话,说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 由于有并发,重新再读取一下 ctl
c = ctl.get();
// 正常如果是 CAS 失败的话,进到下一个里层的for循环就可以了
// 可是如果是因为其他线程的操作,导致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;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/*
* 到这里,我们认为在当前这个时刻,可以开始创建线程来执行任务了,
* 因为该校验的都校验了,至于以后会发生什么,那是以后的事,至少当前是满足条件的
*/
// 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 {
final ReentrantLock mainLock =this.mainLock;
// 把 firstTask 传给 worker 的构造方法
w =new Worker(firstTask);
// 取 worker 中的线程对象,之前说了,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) {
// 这个是整个类的全局锁,持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”,
// 因为关闭一个线程池需要这个锁,至少我持有锁的期间,线程池不会被关闭
mainLock.lock();
try {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 小于 SHUTTDOWN 那就是 RUNNING,这个自不必说,是最正常的情况
// 如果等于 SHUTDOWN,前面说了,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 可不能是已经启动的
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
// 加到 workers 这个 HashSet 中
workers.add(w);
int s = workers.size();
// largestPoolSize 用于记录 workers 中的个数的最大值
// 因为 workers 是不断增加减少的,通过这个值可以知道线程池的大小曾经达到的最大值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded =true;
}
}finally {
mainLock.unlock();
}
// 添加成功的话,启动这个线程
if (workerAdded) {
// 启动线程
t.start();
workerStarted =true;
}
}
}finally {
// 如果线程没有启动,需要做一些清理工作,如前面 workCount 加了 1,将其减掉
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回线程是否启动成功
return workerStarted;
}
五、执行任务
// 此方法由 worker 线程启动后调用,这里用一个 while 循环来不断地从等待队列中获取任务并执行
// 前面说了,worker 在初始化的时候,可以指定 firstTask,那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取
final void runWorker(Worker w) {
//
Thread wt = Thread.currentThread();
// 该线程的第一个任务(如果有的话)
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask =null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly =true;
try {
// 循环调用 getTask 获取任务
while (task !=null || (task = getTask()) !=null) {
w.lock();
// 如果线程池状态大于等于 STOP,那么意味着该线程也要中断
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 这是一个钩子方法,留给需要的子类实现
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown =null;
try {
// 到这里终于可以执行任务了
task.run();
}catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
}catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
}catch (Throwable x) {
// 这里不允许抛出 Throwable,所以转换为 Error
thrown = x; throw new Error(x);
}finally {
// 也是一个钩子方法,将 task 和异常作为参数,留给需要的子类实现
afterExecute(task, thrown);
}
}finally {
// 置空 task,准备 getTask 获取下一个任务
task =null;
// 累加完成的任务数
w.completedTasks++;
// 释放掉 worker 的独占锁
w.unlock();
}
}
completedAbruptly =false;
}finally {
// 如果到这里,需要执行线程关闭:
// 1. 说明 getTask 返回 null,也就是说,这个 worker 的使命结束了,执行关闭
// 2. 任务执行过程中发生了异常
// 第一种情况,已经在代码处理了将 workCount 减 1,这个在 getTask 方法分析中会说
// 第二种情况,workCount 没有进行处理,所以需要在 processWorkerExit 中处理
// 限于篇幅,我不准备分析这个方法了,感兴趣的读者请自行分析源码
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
六、获取任务
// 此方法有三种可能:
// 1. 阻塞直到获取到任务返回。我们知道,默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的,
// 它们会一直等待任务
// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候,也就是如果这么多时间内都没有任务,那么应该执行关闭
// 3. 如果发生了以下条件,此方法必须返回 null:
// - 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
// - 线程池处于 SHUTDOWN,而且 workQueue 是空的,前面说了,这种不再接受新的任务
// - 线程池处于 STOP,不仅不接受新的线程,连 workQueue 中的线程也不再执行
private RunnablegetTask() {
boolean timedOut =false; // Did the last poll() time out?
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 两种可能
// 1. rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty()
// 2. rs >= STOP
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// CAS 操作,减少工作线程数
decrementWorkerCount();
return null;
}
boolean timed; // Are workers subject to culling?
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 允许核心线程数内的线程回收,或当前线程数超过了核心线程数,那么有可能发生超时关闭
timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 这里 break,是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// 两个 if 一起看:如果当前线程数 wc > maximumPoolSize,或者超时,都返回 null
// 那这里的问题来了,wc > maximumPoolSize 的情况,为什么要返回 null?
// 换句话说,返回 null 意味着关闭线程。
// 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了
if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed))
break;
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// compareAndDecrementWorkerCount(c) 失败,线程池中的线程数发生了改变
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
// wc <= maximumPoolSize 同时没有超时
try {
// 到 workQueue 中获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r !=null)
return r;
timedOut =true;
}catch (InterruptedException retry) {
// 如果此 worker 发生了中断,采取的方案是重试
// 解释下为什么会发生中断,这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法,
// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了,导致其小于当前的 workers 数量,
// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环,自然会有部分线程会返回 null
timedOut =false;
}
}
}
七、案例分析
ThreadPoolExecutor pool =new ThreadPoolExecutor(1,2,60, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(3));
MyTask task1 =new MyTask(1,"任务1");
MyTask task2 =new MyTask(2,"任务2");
MyTask task3 =new MyTask(3,"任务3");
MyTask task4 =new MyTask(4,"任务4");
MyTask task5 =new MyTask(5,"任务5");
pool.execute(task1);
pool.execute(task2);
pool.execute(task3);
pool.execute(task4);
pool.execute(task5);
八、总结
1. 线程池中的线程创建时机
如果当前线程数少于 corePoolSize,那么提交任务的时候创建一个新的线程,并由这个线程执行这个任务;
如果当前线程数已经达到 corePoolSize,那么将提交的任务添加到队列中,等待线程池中的线程去队列中取任务;
如果队列已满,那么创建新的线程来执行任务,需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize,如果此时线程数超过了 maximumPoolSize,那么执行拒绝策略。
2. 关键属性
corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收,当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收(allowCoreThreadTimeOut(true))。
workQueue 用于存放任务,添加任务的时候,如果当前线程数超过了 corePoolSize,那么往该队列中插入任务,线程池中的线程会负责到队列中拉取任务。
keepAliveTime 用于设置空闲时间,如果线程数超出了 corePoolSize,并且有些线程的空闲时间超过了这个值,会执行关闭这些线程的操作
rejectedExecutionHandler 用于处理当线程池不能执行此任务时的情况,默认有抛出 RejectedExecutionException 异常、忽略任务、使用提交任务的线程来执行此任务和将队列中等待最久的任务删除,然后提交此任务这四种策略,默认为抛出异常。