java的线程池ThreadPoolExecutor原理解析

使用多线程，必然要用到线程池，而ThreadPoolExecutor是java中线程池的重要实现类，理解ThreadPoolExecutor有助于我们更好地理解线程池、甚至去自定义自己的线程池。

基本使用

1. 初始化线程池

Executor executor=new ThreadPoolExecutor(0,Integer.MAX_VALUE,60, TimeUnit.MILLISECONDS,new SynchronousQueue());

2. 执行对应的任务

executor.execute(runnable);

原理图解

我们先来看一下ThreadPoolExecutor的工作原理图解，不明白不要紧，再继续看完源码分析便会明白了

源码分析

源码中，我们重点分析构造方法和几个重要的方法，execute、addWorker、runWorker和getTask

1. 构造方法及参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler)

• int corePoolSize：核心线程数量，线程池中始终保持活跃的线程数量，不管有无任务，该数量的线程始终在运行或者等待运行
• int maximumPoolSize：线程池最大数量，线程中最大允许的线程数量，任务多于该数量时便会使用拒绝策略去拒绝执行任务
• long keepAliveTime、TimeUnit unit：保活时间，如果线程空闲时，还能保持活跃多久
• BlockingQueue workQueue：阻塞队列，如果任务现在无法直接执行，则会考虑放到队列中等待，运行中的任务执行完后再从队列中取出任务一一执行
• RejectedExecutionHandler handler：拒绝策略，如果收到的任务多于线程池最大数量，则会使用拒绝策略去拒绝执行

2. execute执行任务 方法分析：对外提供的执行任务方法，也是线程池的入口方法

• 分析前，先介绍几个重要的数据结构
  • Worker: 负责运行任务的中断控制和任务的管理，实现了runnable接口，持有一个Thread对象
  • 运行时任务集合：private final HashSet workers = new HashSet<>();
  • 阻塞队列：private final BlockingQueue workQueue;
• execute方法分析
  1. 首先判断核心线程数是否已满，未满则作为核心线程去执行
  2. 队列是否已满，未满则放到队列中等待执行
  3. 线程池是否已满，未满则分配非核心线程执行
  4. 否则使用拒绝策略

public void execute(Runnable command) {
    int c = ctl.get();
    //1. 运行任务数和核心线程数作比较
    //   如果运行任务数少，则新建一个线程作为核心线程，并执行该任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
    //2. 如果一个任务能够放到队列中
    //     再次检查，当前线程池状态不是RUNNING，则回滚队列并使用拒绝策略
    //     如果当前线程池线程为空，则添加该任务并执行
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
    //3. 如果能放到线程池中，则作为非核心线程去执行
    //4. 否则使用拒绝策略进行拒绝
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

• worker之addWorker，添加任务
  1. 创建Worker和线程
  2. 将worker添加到集合中
  3. 让线程开始执行

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
        	//1. 创建Worker和线程
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    //2. 将worker添加到集合中
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                //3. 让线程开始执行
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
}

• worker之runWorker: 真正的执行任务，上一步的线程执行时，因为持有的是worker任务，所以线程执行会调用worker的runWorker方法
  1. 先执行当前任务
  2. 当前任务为空就通过getTask方法从阻塞队列中依次拿出任务去执行
  3. 任务执行分为三个小步骤
     • 做执行前的准备工作
     • 执行任务
     • 做执行后的善后工作

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
           //1. 此行为关键代码，循环获取任务并执行
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                  //执行前做一些准备工作
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                       //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 {
                       //执行任务后的善后工作
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
        	//处理worker退出
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

• getTask方法：获取任务
  1. 检查一：线程终止，并且队列为空时，直接返回
  2. 检查二：工作线程数目以及是否超时
  3. 根据超时状态从队列中取出任务

private Runnable getTask() {
		//标记是否超时
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
		//无限循环从队列中获取任务，无任务时线程会阻塞等待任务，不消耗CPU资源
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            //1. 检查一：线程终止且队列为空，直接返回null
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            int wc = workerCountOf(c);
            //标记线程是否可以超时停止
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
			//2. 检查二：工作线程数目以及是否超时
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }
			//3. 从队列中取出任务并返回
            try {
            	//poll方法：从BlockingQueue取出一个队首的对象，如果在指定时间内，
    　　　　    队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回null
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }