Java线程池实现原理详解
文章目录
- 原理概述
- 线程池的几个主要参数的作用
- 任务提交后的流程分析
- 源码解析
- 1. 提交任务相关源码
- 2. Worker的结构
- 3. 添加Callable任务的实现源码
- 4. shutdown和shutdownNow方法的实现
- 总结
原理概述
其实java线程池的实现原理很简单，说白了就是一个线程集合workerSet和一个阻塞队列workQueue。当用户向线程池提交一个任务(也就是线程)时，线程池会先将任务放入workQueue中。workerSet中的线程会不断的从workQueue中获取线程然后执行。当workQueue中没有任务的时候，worker就会阻塞，直到队列中有任务了就取出来继续执行。
线程池的几个主要参数的作用
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
- corePoolSize: 规定线程池有几个线程(worker)在运行。
- maximumPoolSize: 当workQueue满了,不能添加任务的时候，这个参数才会生效。规定线程池最多只能有多少个线程(worker)在执行。
- keepAliveTime: 超出corePoolSize大小的那些线程的生存时间,这些线程如果长时间没有执行任务并且超过了keepAliveTime设定的时间，就会消亡。
- unit: 生存时间对于的单位
- workQueue: 存放任务的队列
- threadFactory: 创建线程的工厂
- handler: 当workQueue已经满了，并且线程池线程数已经达到maximumPoolSize，将执行拒绝策略。
任务提交后的流程分析
用户通过submit提交一个任务。线程池会执行如下流程:
- 判断当前运行的worker数量是否超过corePoolSize,如果不超过corePoolSize。就创建一个worker直接执行该任务。—— 线程池最开始是没有worker在运行的
- 如果正在运行的worker数量超过或者等于corePoolSize,那么就将该任务加入到workQueue队列中去。
- 如果workQueue队列满了,也就是offer方法返回false的话，就检查当前运行的worker数量是否小于maximumPoolSize,如果小于就创建一个worker直接执行该任务。
- 如果当前运行的worker数量是否大于等于maximumPoolSize，那么就执行RejectedExecutionHandler来拒绝这个任务的提交。
源码解析
我们先来看一下ThreadPoolExecutor中的几个关键属性。
//这个属性是用来存放 当前运行的worker数量以及线程池状态的
//int是32位的，这里把int的高3位拿来充当线程池状态的标志位,后29位拿来充当当前运行worker的数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//存放任务的阻塞队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//worker的集合,用set来存放
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//历史达到的worker数最大值
private int largestPoolSize;
//当队列满了并且worker的数量达到maxSize的时候,执行具体的拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//超出coreSize的worker的生存时间
private volatile long keepAliveTime;
//常驻worker的数量
private volatile int corePoolSize;
//最大worker的数量,一般当workQueue满了才会用到这个参数
private volatile int maximumPoolSize;
1. 提交任务相关源码
下面是execute方法的源码
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
//workerCountOf(c)会获取当前正在运行的worker数量
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//如果workerCount小于corePoolSize,就创建一个worker然后直接执行该任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//isRunning(c)是判断线程池是否在运行中,如果线程池被关闭了就不会再接受任务
//后面将任务加入到队列中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//如果添加到队列成功了,会再检查一次线程池的状态
int recheck = ctl.get();
//如果线程池关闭了,就将刚才添加的任务从队列中移除
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
//执行拒绝策略
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//如果加入队列失败,就尝试直接创建worker来执行任务
else if (!addWorker(command, false))
//如果创建worker失败,就执行拒绝策略
reject(command);
}
添加worker的方法addWorker源码
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
//使用自旋+cas失败重试来保证线程竞争问题
for (;;) {
//先获取线程池的状态
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果线程池是关闭的,或者workQueue队列非空,就直接返回false,不做任何处理
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
//根据入参core 来判断可以创建的worker数量是否达到上限,如果达到上限了就拒绝创建worker
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//没有的话就尝试修改ctl添加workerCount的值。这里用了cas操作,如果失败了下一个循环会继续重试,直到设置成功
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
//如果设置成功了就跳出外层的那个for循环
break retry;
//重读一次ctl,判断如果线程池的状态改变了,会再重新循环一次
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//创建一个worker,将提交上来的任务直接交给worker
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//加锁,防止竞争
mainLock.lock();
try {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
//还是判断线程池的状态
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
//如果worker的线程已经启动了,会抛出异常
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
//添加新建的worker到线程池中
workers.add(w);
int s = workers.size();
//更新历史worker数量的最大值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
//设置新增标志位
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
//如果worker是新增的,就启动该线程
if (workerAdded) {
t.start();
//成功启动了线程,设置对应的标志位
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//如果启动失败了,会触发执行相应的方法
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
2. Worker的结构
Worker是ThreadPoolExecutor内部定义的一个内部类。我们先看一下Worker的继承关系
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable
它实现了Runnable接口,所以可以拿来当线程用。同时它还继承了AbstractQueuedSynchronizer同步器类,主要用来实现一个不可重入的锁。
一些属性还有构造方法:
//运行的线程,前面addWorker方法中就是直接通过启动这个线程来启动这个worker
final Thread thread;
//当一个worker刚创建的时候,就先尝试执行这个任务
Runnable firstTask;
//记录完成任务的数量
volatile long completedTasks;
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
//创建一个Thread,将自己设置给他,后面这个thread启动的时候,也就是执行worker的run方法
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
worker的run方法
public void run() {
//这里调用了ThreadPoolExecutor的runWorker方法
runWorker(this);
}
ThreadPoolExecutor的runWorker方法
final void runWorker(Worker w) {
//获取当前线程
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
//执行unlock方法,允许其他线程来中断自己
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
//如果前面的firstTask有值,就直接执行这个任务
//如果没有具体的任务,就执行getTask()方法从队列中获取任务
//这里会不断执行循环体,除非线程中断或者getTask()返回null才会跳出这个循环
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
//执行任务前先锁住,这里主要的作用就是给shutdown方法判断worker是否在执行中的
//shutdown方法里面会尝试给这个线程加锁,如果这个线程在执行,就不会中断它
w.lock();
//判断线程池状态,如果线程池被强制关闭了,就马上退出
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
//执行任务前调用。预留的方法,可扩展
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
//真正的执行任务
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 {
//执行任务后调用。预留的方法,可扩展
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
//记录完成的任务数量
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
下面来看一下getTask()方法，这里面涉及到keepAliveTime的使用，从这个方法我们可以看出先吃池是怎么让超过corePoolSize的那部分worker销毁的。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false;
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果线程池已经关闭了,就直接返回null,
//如果这里返回null,调用的那个worker就会跳出while循环,然后执行完销毁线程
//SHUTDOWN状态表示执行了shutdown()方法
//STOP表示执行了shutdownNow()方法
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
//获取当前正在运行中的worker数量
int wc = workerCountOf(c);
// 如果设置了核心worker也会超时或者当前正在运行的worker数量超过了corePoolSize,就要根据时间判断是否要销毁线程了
//其实就是从队列获取任务的时候要不要设置超时间时间,如果超过这个时间队列还没有任务进来,就会返回null
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//如果上一次循环从队列获取到的未null,这时候timedOut就会为true了
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
//通过cas来设置WorkerCount,如果多个线程竞争,只有一个可以设置成功
//最后如果没设置成功,就进入下一次循环,说不定下一次worker的数量就没有超过corePoolSize了,也就不用销毁worker了
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
//如果要设置超时时间,就设置一下咯
//过了这个keepAliveTime时间还没有任务进队列就会返回null,那worker就会销毁
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
//如果r为null,就设置timedOut为true
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
3. 添加Callable任务的实现源码
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
要添加一个有返回值的任务的实现也很简单。其实就是对任务做了一层封装，将其封装成Future，然后提交给线程池执行，最后返回这个future。
这里的 newTaskFor(task) 方法会将其封装成一个FutureTask类。
外部的线程拿到这个future，执行get()方法的时候,如果任务本身没有执行完，执行线程就会被阻塞，直到任务执行完。
下面是FutureTask的get方法
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
//判断状态,如果任务还没执行完,就进入休眠,等待唤醒
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
//返回值
return report(s);
}
FutureTask中通过一个state状态来判断任务是否完成。当run方法执行完后,会将state状态置为完成，同时唤醒所有正在等待的线程。我们可以看一下FutureTask的run方法
public void run() {
//判断线程的状态
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
//执行call方法
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
//这个方法里面会设置返回内容,并且唤醒所以等待中的线程
set(result);
}
} finally {
runner = null;
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
4. shutdown和shutdownNow方法的实现
shutdown方法会将线程池的状态设置为SHUTDOWN,线程池进入这个状态后,就拒绝再接受任务,然后会将剩余的任务全部执行完
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//检查是否可以关闭线程
checkShutdownAccess();
//设置线程池状态
advanceRunState(SHUTDOWN);
//尝试中断worker
interruptIdleWorkers();
//预留方法,留给子类实现
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}
private void interruptIdleWorkers() {
interruptIdleWorkers(false);
}
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//遍历所有的worker
for (Worker w : workers) {
Thread t = w.thread;
//先尝试调用w.tryLock(),如果获取到锁,就说明worker是空闲的,就可以直接中断它
//注意的是,worker自己本身实现了AQS同步框架,然后实现的类似锁的功能
//它实现的锁是不可重入的,所以如果worker在执行任务的时候,会先进行加锁,这里tryLock()就会返回false
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
w.unlock();
}
}
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
shutdownNow做的比较绝，它先将线程池状态设置为STOP，然后拒绝所有提交的任务。最后中断左右正在运行中的worker,然后清空任务队列。
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
//检测权限
advanceRunState(STOP);
//中断所有的worker
interruptWorkers();
//清空任务队列
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
private void interruptWorkers() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//遍历所有worker，然后调用中断方法
for (Worker w : workers)
w.interruptIfStarted();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
总结
java线程池的实现原理还是挺简单的。但是有一些细节还是需要去看源码才能得出答案。本文也没办法把所有的源码都讲解一遍，只列了比较重要的一些源码。有兴趣的同学可以自己打开源码好好看一下，肯定会对实现原理了解的更加深刻。
最后,如果本文有哪里说的不对或者遗漏的地方，也烦请指出，感激不尽。