java多线程系列：ThreadPoolExecutor源码分析，java基础面试笔试题
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前言
这篇主要讲述ThreadPoolExecutor的源码分析，贯穿类的创建、任务的添加到线程池的关闭整个流程，让你知其然所以然。希望你可以通过本篇博文知道ThreadPoolExecutor是怎么添加任务、执行任务的，以及延伸的知识点。那么先来看看ThreadPoolExecutor的继承关系吧。
继承关系
Executor接口
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}Executor接口只有一个方法execute,传入线程任务参数
ExecutorService接口
public interface ExecutorService extends Executor {
void shutdown();
List shutdownNow();
boolean isShutdown();
boolean isTerminated();
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
Future submit(Callable task);
Future submit(Runnable task, T result);
Future submit(Runnable task);
List> invokeAll(Collection> tasks)
throws InterruptedException;
List> invokeAll(Collection> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
T invokeAny(Collection> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException;
T invokeAny(Collection> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
} ExecutorService接口继承Executor接口，并增加了submit、shutdown、invokeAll等等一系列方法。
AbstractExecutorService抽象类
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
protected RunnableFuture newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
return new FutureTask(runnable, value);
}
protected RunnableFuture newTaskFor(Callable callable) {
return new FutureTask(callable);
}
public Future submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
public Future submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
public Future submit(Callable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
private T doInvokeAny(Collection> tasks,
boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {...}
public T invokeAny(Collection> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException {... }
public T invokeAny(Collection> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {...}
public List> invokeAll(Collection> tasks)
throws InterruptedException {...}
public List> invokeAll(Collection> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {...}
} AbstractExecutorService抽象类实现ExecutorService接口，并且提供了一些方法的默认实现，例如submit方法、invokeAny方法、invokeAll方法。
像execute方法、线程池的关闭方法（shutdown、shutdownNow等等）就没有提供默认的实现。
ThreadPoolExecutor
先介绍下ThreadPoolExecutor线程池的状态吧
线程池状态
int 是4个字节，也就是32位（注：一个字节等于8位）
//记录线程池状态和线程数量（总共32位，前三位表示线程池状态，后29位表示线程数量）
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//线程数量统计位数29 Integer.SIZE=32
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//容量 000 11111111111111111111111111111
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
//运行中 111 00000000000000000000000000000
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
//关闭 000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
//停止 001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
//整理 010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
//终止 011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
//获取运行状态（获取前3位）
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//获取线程个数（获取后29位）
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
- RUNNING：接受新任务并且处理阻塞队列里的任务
- SHUTDOWN：拒绝新任务但是处理阻塞队列里的任务
- STOP：拒绝新任务并且抛弃阻塞队列里的任务同时会中断正在处理的任务
- TIDYING：所有任务都执行完（包含阻塞队列里面任务）当前线程池活动线程为0，将要调用terminated方法
- TERMINATED：终止状态。terminated方法调用完成以后的状态
线程池状态转换
RUNNING -> SHUTDOWN
显式调用shutdown()方法, 或者隐式调用了finalize()方法
(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP
显式调用shutdownNow()方法
SHUTDOWN -> TIDYING
当线程池和任务队列都为空的时候
STOP -> TIDYING
当线程池为空的时候
TIDYING -> TERMINATED
当 terminated() hook 方法执行完成时候构造函数
有四个构造函数，其他三个都是调用下面代码中的这个构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
} 参数介绍
| 参数 | 类型 | 含义 |
|---|---|---|
| corePoolSize | int | 核心线程数 |
| maximumPoolSize | int | 最大线程数 |
| keepAliveTime | long | 存活时间 |
| unit | TimeUnit | 时间单位 |
| workQueue | BlockingQueue | 存放线程的队列 |
| threadFactory | ThreadFactory | 创建线程的工厂 |
| handler | RejectedExecutionHandler | 多余的的线程处理器（拒绝策略） |
提交任务
submit
public Future submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
public Future submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
public Future submit(Callable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
} 流程步骤如下
- 调用submit方法，传入Runnable或者Callable对象
- 判断传入的对象是否为null，为null则抛出异常，不为null继续流程
- 将传入的对象转换为RunnableFuture对象
- 执行execute方法，传入RunnableFuture对象
- 返回RunnableFuture对象
流程图如下
execute
public void execute(Runnable command) {
//传进来的线程为null，则抛出空指针异常
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//获取当前线程池的状态+线程个数变量
int c = ctl.get();
/**
* 3个步骤
*/
//1.判断当前线程池线程个数是否小于corePoolSize,小于则调用addWorker方法创建新线程运行,且传进来的Runnable当做第一个任务执行。
//如果调用addWorker方法返回false，则直接返回
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//2.如果线程池处于RUNNING状态，则添加任务到阻塞队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//二次检查
int recheck = ctl.get();
//如果当前线程池状态不是RUNNING则从队列删除任务，并执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//否者如果当前线程池线程空，则添加一个线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//3.新增线程，新增失败则执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}其实从上面代码注释中可以看出就三个判断，
- 核心线程数是否已满
- 队列是否已满
- 线程池是否已满
然后根据这三个条件进行不同的操作，下图是Java并发编程的艺术书中的线程池的主要处理流程，或许会比较容易理解些
下面是整个流程的详细步骤
- 调用execute方法，传入Runable对象
- 判断传入的对象是否为null，为null则抛出异常，不为null继续流程
- 获取当前线程池的状态和线程个数变量
- 判断当前线程数是否小于核心线程数，是走流程5，否则走流程6
- 添加线程数，添加成功则结束，失败则重新获取当前线程池的状态和线程个数变量,
- 判断线程池是否处于RUNNING状态，是则添加任务到阻塞队列，否则走流程10，添加任务成功则继续流程7
- 重新获取当前线程池的状态和线程个数变量
- 重新检查线程池状态，不是运行状态则移除之前添加的任务，有一个false走流程9，都为true则走流程11
- 检查线程池线程数量是否为0，否则结束流程，是调用addWorker(null, false)，然后结束
- 调用!addWorker(command, false)，为true走流程11，false则结束
- 调用拒绝策略reject(command)，结束
可能看上面会有点绕，不清楚的可以看下面的流程图
addWorker
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 检查当前线程池状态是否是SHUTDOWN、STOP、TIDYING或者TERMINATED
// 且！（当前状态为SHUTDOWN、且传入的任务为null，且队列不为null）
// 条件都成立则返回false
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
//循环
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
//如果当前的线程数量超过最大容量或者大于（根据传入的core决定是核心线程数还是最大线程数）核心线程数 || 最大线程数，则返回false
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//CAS增加c，成功则跳出retry
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
//CAS失败执行下面方法，查看当前线程数是否变化，变化则继续retry循环，没变化则继续内部循环
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
}
}
//CAS成功
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//新建一个线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//重新检查线程池状态
//避免ThreadFactory退出故障或者在锁获取前线程池被关闭
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // 先检查线程是否是可启动的
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
//判断worker是否添加成功，成功则启动线程，然后将workerStarted设置为true
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//判断线程有没有启动成功，没有则调用addWorkerFailed方法
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}这里可以将addWorker分为两部分，第一部分增加线程池个数，第二部分是将任务添加到workder里面并执行。
第一部分主要是两个循环，外层循环主要是判断线程池状态，下面描述来自Java中线程池ThreadPoolExecutor原理探究
rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())展开！运算后等价于
s >= SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty())也就是说下面几种情况下会返回false：
- 当前线程池状态为STOP，TIDYING，TERMINATED
- 当前线程池状态为SHUTDOWN并且已经有了第一个任务
- 当前线程池状态为SHUTDOWN并且任务队列为空
内层循环作用是使用cas增加线程个数，如果线程个数超限则返回false，否者进行cas，cas成功则退出双循环，否者cas失败了，要看当前线程池的状态是否变化了，如果变了，则重新进入外层循环重新获取线程池状态，否者进入内层循环继续进行cas尝试。
到了第二部分说明CAS成功了，也就是说线程个数加一了，但是现在任务还没开始执行，这里使用全局的独占锁来控制workers里面添加任务，其实也可以使用并发安全的set，但是性能没有独占锁好（这个从注释中知道的）。这里需要注意的是要在获取锁后重新检查线程池的状态，这是因为其他线程可可能在本方法获取锁前改变了线程池的状态，比如调用了shutdown方法。添加成功则启动任务执行。
所以这里也将流程图分为两部分来描述
第一部分流程图
第二部分流程图
Worker对象
Worker是定义在ThreadPoolExecutor中的finnal类，其中继承了AbstractQueuedSynchronizer类和实现Runnable接口，其中的run方法如下
public void run() {
runWorker(this);
}线程启动时调用了runWorker方法，关于类的其他方面这里就不在叙述。
runWorker
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
//循环获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// 当线程池是处于STOP状态或者TIDYING、TERMINATED状态时，设置当前线程处于中断状态
// 如果不是，当前线程就处于RUNNING或者SHUTDOWN状态，确保当前线程不处于中断状态
// 重新检查当前线程池的状态是否大于等于STOP状态
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
//提供给继承类使用做一些统计之类的事情，在线程运行前调用
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
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 {
//提供给继承类使用做一些统计之类的事情，在线程运行之后调用
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
//统计当前worker完成了多少个任务
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
//整个线程结束时调用，线程退出操作。统计整个线程池完成的任务个数之类的工作
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}getTask
getTask方法的主要作用其实从方法名就可以看出来了，就是获取任务
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
//循环
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
//线程线程池状态和队列是否为空
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
//线程数量
int wc = workerCountOf(c);
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//（当前线程数是否大于最大线程数或者）
//且（线程数大于1或者任务队列为空）
//这里有个问题(timed && timedOut)timedOut = false，好像(timed && timedOut)一直都是false吧
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
//获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}关闭线程池
shutdown
当调用shutdown方法时，线程池将不会再接收新的任务，然后将先前放在队列中的任务执行完成。
下面是shutdown方法的源码
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(SHUTDOWN);
interruptIdleWorkers();
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}shutdownNow
立即停止所有的执行任务，并将队列中的任务返回
public List shutdownNow() {
List tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(STOP);
interruptWorkers();
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
} shutdown和shutdownNow区别
shutdown和shutdownNow这两个方法的作用都是关闭线程池，流程大致相同，只有几个步骤不同，如下
- 加锁
- 检查关闭权限
- CAS改变线程池状态
- 设置中断标志(线程池不在接收任务，队列任务会完成)/中断当前执行的线程
- 调用onShutdown方法（给子类提供的方法）/获取队列中的任务
- 解锁
- 尝试将线程池状态变成终止状态TERMINATED
- 结束/返回队列中的任务
总结
线程池可以给我们多线程编码上提供极大便利，就好像数据库连接池一样，减少了线程的开销，提供了线程的复用。而且ThreadPoolExecutor也提供了一些未实现的方法，供我们来使用，像beforeExecute、afterExecute等方法，我们可以通过这些方法来对线程进行进一步的管理和统计。
在使用线程池上好需要注意，提交的线程任务可以分为CPU 密集型任务和IO 密集型任务，然后根据任务的不同进行分配不同的线程数量。
- CPU密集型任务：
- 应当分配较少的线程，比如
CPU个数相当的大小
- IO 密集型任务：
- 由于线程并不是一直在运行，所以可以尽可能的多配置线程，比如 CPU 个数 * 2
- 混合型任务：
- 可以将其拆分为
CPU密集型任务以及IO密集型任务，这样来分别配置。
好了，这篇博文到这里就结束了，文中可能会有些纰漏，欢迎留言指正。
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参考资料
- 并发编程网-Java中线程池ThreadPoolExecutor原理探究
- Java并发编程的艺术
转载：https://www.cnblogs.com/fixzd/p/9253203.html
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