编程语言带你解析 ThreadPoolExecutor

本文转载自微信公众号「java极客技术」，作者鸭血粉丝。转载本文请联系Java极客技术公众号。

为什么要用线程池

你有没有这样的疑惑，为什么要用线程池呢?可能你会说，我可以复用已经创建的线程呀;线程是个重量级对象，为了避免频繁创建和销毁，使用线程池来管理最好了。

没毛病，各位都很懂哈~

不过使用线程池还有一个重要的点：可以控制并发的数量。如果并发数量太多了，导致消耗的资源增多，直接把服务器给搞趴下了，肯定也是不行的

绕不过去的几个参数

提到 ThreadPoolExecutor 那么你的小脑袋肯定会想到那么几个参数，咱们来瞅瞅源码(我就直接放有 7 个参数的那个方法了)：

1. public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, 
2.                             int maximumPoolSize, 
3.                             long keepAliveTime, 
4.                             TimeUnit unit, 
5.                             BlockingQueue workQueue, 
6.                             ThreadFactory threadFactory, 
7.                             RejectedExecutionHandler handler) 

咱们分别来看：

• corePoolSize ：

核心线程数，在线程池中有两种线程，核心线程和非核心线程。在线程池中的核心线程，就算是它什么都不做，也会一直在线程池中，除非设置了 allowCoreThreadTimeOut 参数

• maximumPoolSize：

线程池能够创建的最大线程数。这个值 = 核心线程数 + 非核心线程数

• keepAliveTime & unit ：

线程池是可以撤销线程的，那么什么时候撤销呢?一个线程如果在一段时间内，都没有执行任务，那说明这个线程很闲啊，那是不是就可以把它撤销掉了?

所以呢，如果一个线程不是核心线程，而且在 keepAliveTime & unit 这段时间内，还没有干活，那么很抱歉，只能请你走人了 核心线程就算是很闲，也不会将它从线程池中清除，没办法谁让它是 core 线程呢~

• workQueue ：

工作队列，这个队列维护的是等待执行的 Runnable 任务对象

常用的几个队列：LinkedBlockingQueue ， ArrayBlockingQueue ， SynchronousQueue ， DelayQueue

大厂的编码规范，相信各位都知道，并不建议使用 Executors ，最重要的一个原因就是：Executors 提供的很多方法默认使用的都是无界的 LinkedBlockingQueue ，在高负载情况下，无界队列很容易就导致 OOM ，而 OOM 会让所有请求都无法处理，所以在使用时，强烈建议使用有界队列，因为如果你使用的是有界队列的话，当线程数量太多时，它会走拒绝策略

• threadFactory ：

创建线程的工厂，用来批量创建线程的。如果不指定的话，就会创建一个默认的线程工厂

• handler ：

拒绝处理策略。在 workQueue 那里说了，如果使用的是有界队列，那么当线程数量大于最大线程数的时候，拒绝处理策略就起到作用了

常用的有四种处理策略：

- AbortPolicy ：默认的拒绝策略，会丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常- CallerRunsPolicy ：提交任务的线程，自己去执行这个任务- DiscardOldestPolicy ：直接丢弃新来的任务，也没有任何异常抛出- DiscardOldestPolicy ：丢弃最老的任务，然后将新任务加入到工作队列中

默认拒绝策略是 AbortPolicy ，会 throw RejectedExecutionException 异常，但是这是一个运行时异常，对于运行时异常编译器不会强制 catch 它，所以就会比较容易忽略掉错误。

所以，如果线程池处理的任务非常重要，尽量自定义自己的拒绝策略

线程池的几个状态

在源码中，能够清楚地看到线程池有 5 种状态：

1. private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS; 
2. private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS; 
3. private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS; 
4. private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS; 
5. private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS; 

同时，使用 AtomicInteger 修饰的变量 ctl 来控制线程池的状态，而 ctl 保存了 2 个变量：一个是 rs 即 runState ，线程池的运行状态;一个是 wc 即 workerCount ，线程池中活动线程的数量

1. private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); 
2. private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; } 

• 线程池创建之后就处于 RUNNING 状态
• 调用 shutdown() 方法之后处于 SHUTDOWN 状态，此时线程池不再接受新的任务，清除一些空闲 worker ，等待阻塞队列的任务完成
• 调用 shutdownNow() 方法后处于 STOP 状态，此时线程池不再接受新的任务，中断所有的线程，阻塞队列中没有被执行的任务也会被全部丢弃
• 当线程池中执行的任务为空时，也就是此时 ctl 的值为 0 时，线程池会变为 TIDYING 状态，接下来会执行 terminated() 方法
• 执行完 terminated() 方法之后，线程池的状态就由 TIDYING 转到 TERMINATED 状态

懵了?别急，有张图呢~

线程池处理任务

execute

做到线程复用，肯定要先 execute 起来吧

线程池处理任务的核心方法是 execute ，大概思路就是：

• 如果 command 为 null ，没啥说的，直接抛出异常就完事儿了
• 如果当前线程数小于 corePoolSize ，会新建一个核心线程执行任务
• 如果当前线程数不小于 corePoolSize ，就会将任务放到队列中等待，如果任务排队成功，仍然需要检查是否应该添加线程，所以需要重新检查状态，并且在必要时回滚排队;如果线程池处于 running 状态，但是此时没有线程，就会创建线程
• 如果没有办法给任务排队，说明这个时候，缓存队列满了，而且线程数达到了 maximumPoolSize 或者是线程池关闭了，系统没办法再响应新的请求，此时会执行拒绝策略

来瞅瞅源码具体是如何处理的：

1. public void execute(Runnable command) { 
2.     if (command == null) 
3.         throw new NullPointerException(); 
4.    
5.     int c = ctl.get(); 
6.     // 当前线程数小于 corePoolSize 时,调用 addWorker 创建核心线程来执行任务 
7.     if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
8.         if (addWorker(command, true)) 
9.             return; 
10.         c = ctl.get(); 
11.     } 
12.     // 当前线程数不小于 corePoolSize ,就将任务添加到 workQueue 中 
13.     if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
14.      // 获取到当前线程的状态,赋值给 recheck ,是为了重新检查状态 
15.         int recheck = ctl.get(); 
16.         // 如果 isRunning 返回 false ,那就 remove 掉这个任务,然后执行拒绝策略,也就是回滚重新排队 
17.         if (! isRunning(recheck) && remove(command)) 
18.             reject(command); 
19.         // 线程池处于 running 状态,但是没有线程,那就创建线程执行任务 
20.         else if (workerCountOf(recheck) == 0) 
21.             addWorker(null, false); 
22.     } 
23.     // 如果放入 workQueue 失败,尝试通过创建非核心线程来执行任务 
24.     // 如果还是失败,说明线程池已经关闭或者已经饱和,会拒绝执行该任务 
25.     else if (!addWorker(command, false)) 
26.         reject(command); 
27. } 

在上面源码中,判断了两次线程池的状态,为什么要这么做呢?

这是因为在多线程环境下,线程池的状态是时刻发生变化的,可能刚获取线程池状态之后,这个状态就立刻发生了改变.如果没有二次检查的话,线程池处于非 RUNNING 状态时, command 就永远不会执行

有点儿懵?阿粉都懂你，一张图走起~

addWorker

从上面能够看出来，主要是 addWorker 方法

addWorker 主要是用来创建核心线程的，它主要的实现逻辑是:

• 判断线程数量有没有超过规定的数量，如果超过了就返回 false
• 如果没有超过，就会创建 worker 对象，并初始化一个 Thread 对象，然后启动这个线程对象

接下来瞅瞅源码:

1. private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
2.     retry: 
3.     for (;;) { 
4.         int c = ctl.get(); 
5.         int rs = runStateOf(c); 
6.  
7.         // Check if queue empty only if necessary. 
8.   // 线程池状态 >= SHUTDOWN 时,不再接受新的任务,直接返回 false 
9.   // 如果 rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty() 同样不接受新的任务,返回 false 
10.         if (rs >= SHUTDOWN && 
11.             ! (rs == SHUTDOWN && 
12.                 firstTask == null && 
13.                 ! workQueue.isEmpty())) 
14.             return false; 
15.  
16.         for (;;) { 
17.             int wc = workerCountOf(c); 
18.    // wc >= CAPACITY 说明线程数不够,所以就返回 false 
19.    // wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize) 是在做判断 
20.     // 如果 core 为 true ,说明要创建的线程是核心线程,接下来判断 wc 是否大于 核心线程数 ,如果大于返回 false 
21.     // 如果 core 为 false ,说明要创建的线程是非核心线程,接下来判断 wc 是否大于 最大线程数 ,如果大于返回 false 
22.             if (wc >= CAPACITY || 
23.                 wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) 
24.                 return false; 
25.    // CAS 操作增加 workerCount 的值,如果成功跳出循环 
26.             if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) 
27.                 break retry; 
28.             c = ctl.get();  // Re-read ctl 
29.    // 判断线程池状态有没有变化,如果有变化,则重试 
30.             if (runStateOf(c) != rs) 
31.                 continue retry; 
32.             // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop 
33.         } 
34.     } 
35.  
36.  // workerCount 增加成功之后开始走下面的代码 
37.     boolean workerStarted = false; 
38.     boolean workerAdded = false; 
39.     Worker w = null; 
40.     try { 
41.   // 创建一个 worker 对象 
42.         w = new Worker(firstTask); 
43.   // 实例化一个 Thread 对象 
44.         final Thread t = w.thread; 
45.         if (t != null) { 
46.    // 接下来的操作需要加锁进行 
47.             final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; 
48.             mainLock.lock(); 
49.             try { 
50.                 // Recheck while holding lock. 
51.                 // Back out on ThreadFactory failure or if 
52.                 // shut down before lock acquired. 
53.                 int rs = runStateOf(ctl.get()); 
54.  
55.                 if (rs < SHUTDOWN || 
56.                     (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
57.                     if (t.isAlive()) // precheck that t is startable 
58.                         throw new IllegalThreadStateException(); 
59.      // 将任务线程添加到线程池中 
60.                     workers.add(w); 
61.                     int s = workers.size(); 
62.                     if (s > largestPoolSize) 
63.                         largestPoolSize = s; 
64.                     workerAdded = true; 
65.                 } 
66.             } finally { 
67.                 mainLock.unlock(); 
68.             } 
69.             if (workerAdded) { 
70.     // 启动任务线程,开始执行任务 
71.                 t.start(); 
72.                 workerStarted = true; 
73.             } 
74.         } 
75.     } finally { 
76.         if (! workerStarted) 
77.    // 如果任务线程启动失败调用 addWorkerFailed  
78.    // addWorkerFailed 方法里面主要做了两件事:将该线程从线程池中移除;将 workerCount 的值减 1 
79.             addWorkerFailed(w); 
80.     } 
81.     return workerStarted; 
82. } 

Worker 类

在 addWorker 中，主要是由 Worker 类去做一些相应处理， worker 继承 AQS ，实现 Runnable 接口

线程池维护的是 HashSet，一个由 worker 对象组成的 HashSet

1. private final HashSet workers = new HashSet(); 

worker 继承 AQS 主要是利用 AQS 独占锁机制，来标识线程是否空闲;另外， worker 还实现了 Runnable 接口，所以它本身就是一个线程任务，在构造方法中创建了一个线程，线程的任务就是自己 this。thread = getThreadFactory().newThread(this);

咱们瞅瞅里面的源码:

1. private final class Worker 
2.        extends AbstractQueuedSynchronizer 
3.        implements Runnable 
4.    { 
5.        /** 
6.         * This class will never be serialized, but we provide a 
7.         * serialVersionUID to suppress a javac warning. 
8.         */ 
9.        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L; 
10.  
11.        // 处理任务的线程 
12.        final Thread thread; 
13.        // worker 传入的任务 
14.        Runnable firstTask; 
15.        /** Per-thread task counter */ 
16.        volatile long completedTasks; 
17.  
18.        /** 
19.         * Creates with given first task and thread from ThreadFactory. 
20.         * @param firstTask the first task (null if none) 
21.         */ 
22.        Worker(Runnable firstTask) { 
23.         // 将 state 设为 -1 ,避免 worker 在执行前被中断 
24.            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker 
25.            this.firstTask = firstTask; 
26.   // 创建一个线程,来执行任务 
27.            this.thread = getThreadFactory().newThread(this); 
28.        } 
29.  
30.        /** Delegates main run loop to outer runWorker  */ 
31.        public void run() { 
32.            runWorker(this); 
33.        } 
34.  
35.        // Lock methods 
36.        // 
37.        // The value 0 represents the unlocked state. 
38.        // The value 1 represents the locked state. 
39.  
40.        protected boolean isHeldExclusively() { 
41.            return getState() != 0; 
42.        } 
43.  
44.        protected boolean tryAcquire(int unused) { 
45.            if (compareAndSetState(0, 1)) { 
46.                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); 
47.                return true; 
48.            } 
49.            return false; 
50.        } 
51.  
52.        protected boolean tryRelease(int unused) { 
53.            setExclusiveOwnerThread(null); 
54.            setState(0); 
55.            return true; 
56.        } 
57.  
58.        public void lock()        { acquire(1); } 
59.        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); } 
60.        public void unlock()      { release(1); } 
61.        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); } 
62.  
63.        void interruptIfStarted() { 
64.            Thread t; 
65.            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) { 
66.                try { 
67.                    t.interrupt(); 
68.                } catch (SecurityException ignore) { 
69.                } 
70.            } 
71.        } 
72.    } 

runWorker

worker 类在执行 run 方法时，实际上调用的是 runWorker 方法

1. final void runWorker(Worker w) { 
2.        Thread wt = Thread.currentThread(); 
3.        Runnable task = w.firstTask; 
4.        w.firstTask = null; 
5.        // 允许中断 
6.        w.unlock(); // allow interrupts 
7.        boolean completedAbruptly = true; 
8.        try { 
9.         // 判断 task 是否为空,如果不为空直接执行 
10.         // 如果 task 为空,调用 getTask() 方法,从 workQueue 中取出新的 task 执行 
11.            while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
12.             // 加锁,防止被其他线程中断 
13.                w.lock(); 
14.                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted; 
15.                // if not, ensure thread is not interrupted.  This 
16.                // requires a recheck in second case to deal with 
17.                // shutdownNow race while clearing interrupt 
18.                // 检查线程池的状态,如果线程池处于 stop 状态,则需要中断当前线程 
19.                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || 
20.                     (Thread.interrupted() && 
21.                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && 
22.                    !wt.isInterrupted()) 
23.                    wt.interrupt(); 
24.                try { 
25.                 // 执行 beforeExecute  
26.                    beforeExecute(wt, task); 
27.                    Throwable thrown = null; 
28.                    try { 
29.                     // 执行任务 
30.                        task.run(); 
31.                    } catch (RuntimeException x) { 
32.                        thrown = x; throw x; 
33.                    } catch (Error x) { 
34.                        thrown = x; throw x; 
35.                    } catch (Throwable x) { 
36.                        thrown = x; throw new Error(x); 
37.                    } finally { 
38.                     // 执行 afterExecute 方法 
39.                        afterExecute(task, thrown); 
40.                    } 
41.                } finally { 
42.                 // 将 task 设置为 null ,循环操作 
43.                    task = null; 
44.                    w.completedTasks++; 
45.                    // 释放锁 
46.                    w.unlock(); 
47.                } 
48.            } 
49.            completedAbruptly = false; 
50.        } finally { 
51.            processWorkerExit(w, completedAbruptly); 
52.        } 
53.    } 

在 runWorker 方法中，首先会去执行创建这个 worker 时就有的任务，当执行完这个任务之后， worker 并不会被销毁，而是在 while 循环中， worker 会不断的调用 getTask 方法从阻塞队列中获取任务然后调用 task。run() 来执行任务，这样就达到了复用线程的目的。通过循环条件 while (task != null || (task = getTask()) != null) 可以看出，只要 getTask 方法返回值不为 null ，就会一直循环下去，这个线程也就会一直在执行，从而达到了线程复用的目的

getTask

咱们来看看 getTask 方法的实现:

1. private Runnable getTask() { 
2.         boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? 
3.  
4.         for (;;) { 
5.             int c = ctl.get(); 
6.             int rs = runStateOf(c); 
7.  
8.             // Check if queue empty only if necessary. 
9.             if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { 
10.                 decrementWorkerCount(); 
11.                 return null; 
12.             } 
13.  
14.             int wc = workerCountOf(c); 
15.  
16.             // Are workers subject to culling? 
17.             // allowCoreThreadTimeOut 变量默认为 false ,也就是核心线程就算是空闲也不会被销毁 
18.             // 如果为 true ,核心线程在 keepAliveTime 内是空闲的,就会被销毁 
19.             boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; 
20.  
21.             // 如果运行线程数大于最大线程数,但是缓存队列已经空了,此时递减 worker 数量 
22.             // 如果有设置允许线程超时或者线程数量超过了核心线程数量,并且线程在规定时间内没有 poll 到任务并且队列为空,此时也递减 worker 数量 
23.             if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) 
24.                 && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
25.                 if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) 
26.                     return null; 
27.                 continue; 
28.             } 
29.  
30.             try { 
31.                 // 如果 timed 为 true ,会调用 workQueue 的 poll 方法 
32.                  // 超时时间为 keepAliveTime ,如果超过 keepAliveTime 时长的话, poll 就会返回 null  
33.                  // 如果返回为 null ,在 runWorker 中  
34.                  // while (task != null || (task = getTask()) != null) 循环条件被打破,从而跳出循环,此时线程执行完毕 
35.                 // 如果 timed 为 false ( allowCoreThreadTimeOut 为 false ,并且 wc > corePoolSize 为 false ) 
36.                  // 会调用 workQueue 的 take 方法阻塞到当前 
37.                  // 当队列中有任务加入时,线程被唤醒, take 方法返回任务,开始执行 
38.                 Runnable r = timed ? 
39.                     workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : 
40.                     workQueue.take(); 
41.                 if (r != null) 
42.                     return r; 
43.                 timedOut = true; 
44.             } catch (InterruptedException retry) { 
45.                 timedOut = false; 
46.             } 
47.         } 
48.     } 

源码分析到这里就差不多清楚了

线程复用主要体现在 runWorker 方法中的 while 循环中，在 while 循环里面， worker 会不断的调用 getTask 方法，而在 getTask 方法里，如果任务队列中没有了任务，此时如果线程是核心线程则会一直卡在 workQueue。take 方法，这个时候会被阻塞并挂起，不会占用 CPU 资源，直到拿到任务然后返回 true ， 此时 runWorker 中得到这个任务来继续执行任务，从而实现了线程复用

呦，没想到吧，一不小心就看完了

高级语言的出现使得计算机程序设计语言不再过度地依赖某种特定的机器或环境。这是因为高级语言在不同的平台上会被编译成不同的机器语言，而不是直接被机器执行。最早出现的编程语言之一FORTRAN的一个主要目标，就是实现平台独立。