Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(三) - 终止线程池原理
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Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(三) - 终止线程池原理
终止线程池主要有两个方法：shutdown() 和 shutdownNow()。
shutdown()后线程池将变成shutdown状态，此时不接收新任务，但会处理完正在运行的 和 在阻塞队列中等待处理的任务。
shutdownNow()后线程池将变成stop状态，此时不接收新任务，不再处理在阻塞队列中等待的任务，还会尝试中断正在处理中的工作线程。
下面是对线程池的几种终止方式的分析，基于JDK 1.7
以下是本文的目录大纲：
一、shutdown() -- 温柔的终止线程池
interruptIdleWorkers() -- 中断空闲worker
tryTerminate() -- 尝试终止线程池
二、shutdownNow() -- 强硬的终止线程池
interruptWorkers() -- 中断所有worker
三、awaitTermination() -- 等待线程池终止
若有不正之处请多多谅解，欢迎批评指正、互相讨论。
请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：
http://www.cnblogs.com/trust-freedom/p/6693601.html
一、shutdown() -- 温柔的终止线程池
/**
* Initiates an orderly shutdown in which previously submitted
* tasks are executed, but no new tasks will be accepted.
* Invocation has no additional effect if already shut down.
* 开始一个有序的关闭，在关闭中，之前提交的任务会被执行（包含正在执行的，在阻塞队列中的），但新任务会被拒绝
* 如果线程池已经shutdown，调用此方法不会有附加效应
*
* This method does not wait for previously submitted tasks to
* complete execution. Use {@link #awaitTermination awaitTermination}
* to do that.
* 当前方法不会等待之前提交的任务执行结束，可以使用awaitTermination()
*
* @throws SecurityException {@inheritDoc}
*/
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁
try {
//判断调用者是否有权限shutdown线程池
checkShutdownAccess();
//CAS+循环设置线程池状态为shutdown
advanceRunState(SHUTDOWN);
//中断所有空闲线程
interruptIdleWorkers();
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
}
finally {
mainLock.unlock(); //解锁
}
//尝试终止线程池
tryTerminate();
}
shutdown()执行流程：
1、上锁，mainLock是线程池的主锁，是可重入锁，当要操作workers set这个保持线程的HashSet时，需要先获取mainLock，还有当要处理largestPoolSize、completedTaskCount这类统计数据时需要先获取mainLock
2、判断调用者是否有权限shutdown线程池
3、使用CAS操作将线程池状态设置为shutdown，shutdown之后将不再接收新任务
4、中断所有空闲线程 interruptIdleWorkers()
5、onShutdown()，ScheduledThreadPoolExecutor中实现了这个方法，可以在shutdown()时做一些处理
6、解锁
7、尝试终止线程池 tryTerminate()
可以看到shutdown()方法最重要的几个步骤是：更新线程池状态为shutdown、中断所有空闲线程、tryTerminated()尝试终止线程池
那么，什么是空闲线程？interruptIdleWorkers() 是怎么中断空闲线程的？
/**
* Interrupts threads that might be waiting for tasks (as
* indicated by not being locked) so they can check for
* termination or configuration changes. Ignores
* SecurityExceptions (in which case some threads may remain
* uninterrupted).
* 中断在等待任务的线程(没有上锁的)，中断唤醒后，可以判断线程池状态是否变化来决定是否继续
*
* @param onlyOne If true, interrupt at most one worker. This is
* called only from tryTerminate when termination is otherwise
* enabled but there are still other workers. In this case, at
* most one waiting worker is interrupted to propagate shutdown
* signals in case(以免) all threads are currently waiting.
* Interrupting any arbitrary thread ensures that newly arriving
* workers since shutdown began will also eventually exit.
* To guarantee eventual termination, it suffices to always
* interrupt only one idle worker, but shutdown() interrupts all
* idle workers so that redundant workers exit promptly, not
* waiting for a straggler task to finish.
*
* onlyOne如果为true，最多interrupt一个worker
* 只有当终止流程已经开始，但线程池还有worker线程时,tryTerminate()方法会做调用onlyOne为true的调用
* （终止流程已经开始指的是：shutdown状态 且 workQueue为空，或者 stop状态）
* 在这种情况下，最多有一个worker被中断，为了传播shutdown信号，以免所有的线程都在等待
* 为保证线程池最终能终止，这个操作总是中断一个空闲worker
* 而shutdown()中断所有空闲worker，来保证空闲线程及时退出
*/
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁
try {
for (Worker w : workers) {
Thread t = w.thread;
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
w.unlock();
}
}
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
mainLock.unlock(); //解锁
}
}interruptIdleWorkers() 首先会获取mainLock锁，因为要迭代workers set，在中断每个worker前，需要做两个判断：
1、线程是否已经被中断，是就什么都不做
2、worker.tryLock() 是否成功
第二个判断比较重要，因为Worker类除了实现了可执行的Runnable，也继承了AQS，本身也是一把锁，具体可见 ThreadPoolExecutor内部类Worker解析
tryLock()调用了Worker自身实现的tryAcquire()方法，这也是AQS规定子类需要实现的尝试获取锁的方法
protected boolean tryAcquire(int unused) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}tryAcquire()先尝试将AQS的state从0-->1，返回true代表上锁成功，并设置当前线程为锁的拥有者
可以看到compareAndSetState(0, 1)只尝试了一次获取锁，且不是每次state+1，而是0-->1，说明锁不是可重入的
但是为什么要worker.tryLock()获取worker的锁呢？
这就是Woker类存在的价值之一，控制线程中断
在runWorker()方法中每次获取到task，task.run()之前都需要worker.lock()上锁，运行结束后解锁，即正在运行任务的工作线程都是上了worker锁的
在interruptIdleWorkers()中断之前需要先tryLock()获取worker锁，意味着正在运行的worker不能中断，因为worker.tryLock()失败，且锁是不可重入的
故shutdown()只有对能获取到worker锁的空闲线程（正在从workQueue中getTask()，此时worker没有加锁）发送中断信号
| 由此可以将worker划分为： |
正阻塞在getTask()获取任务的worker在被中断后，会抛出InterruptedException，不再阻塞获取任务
捕获中断异常后，将继续循环到getTask()最开始的判断线程池状态的逻辑，当线程池是shutdown状态，且workQueue.isEmpty时，return null，进行worker线程退出逻辑
某些情况下，interruptIdleWorkers()时多个worker正在运行，不会对其发出中断信号，假设此时workQueue也不为空
那么当多个worker运行结束后，会到workQueue阻塞获取任务，获取到的执行任务，没获取到的，如果还是核心线程，会一直workQueue.take()阻塞住，线程无法终止，因为workQueue已经空了，且shutdown后不会接收新任务了
这就需要在shutdown()后，还可以发出中断信号
Doug Lea大神巧妙的在所有可能导致线程池产终止的地方安插了tryTerminated()尝试线程池终止的逻辑，并在其中判断如果线程池已经进入终止流程，没有任务等待执行了，但线程池还有线程，中断唤醒一个空闲线程
shutdown()的最后也调用了tryTerminated()方法，下面看看这个方法的逻辑：
/**
* Transitions to TERMINATED state if either (SHUTDOWN and pool
* and queue empty) or (STOP and pool empty). If otherwise
* eligible to terminate but workerCount is nonzero, interrupts an
* idle worker to ensure that shutdown signals propagate. This
* method must be called following any action that might make
* termination possible -- reducing worker count or removing tasks
* from the queue during shutdown. The method is non-private to
* allow access from ScheduledThreadPoolExecutor.
*
* 在以下情况将线程池变为TERMINATED终止状态
* shutdown 且 正在运行的worker 和 workQueue队列 都empty
* stop 且 没有正在运行的worker
*
* 这个方法必须在任何可能导致线程池终止的情况下被调用，如：
* 减少worker数量
* shutdown时从queue中移除任务
*
* 这个方法不是私有的，所以允许子类ScheduledThreadPoolExecutor调用
*/
final void tryTerminate() {
//这个for循环主要是和进入关闭线程池操作的CAS判断结合使用的
for (;;) {
int c = ctl.get();
/**
* 线程池是否需要终止
* 如果以下3中情况任一为true，return，不进行终止
* 1、还在运行状态
* 2、状态是TIDYING、或 TERMINATED，已经终止过了
* 3、SHUTDOWN 且 workQueue不为空
*/
if (isRunning(c) ||
runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
return;
/**
* 只有shutdown状态 且 workQueue为空，或者 stop状态能执行到这一步
* 如果此时线程池还有线程（正在运行任务，正在等待任务）
* 中断唤醒一个正在等任务的空闲worker
* 唤醒后再次判断线程池状态，会return null，进入processWorkerExit()流程
*/
if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate 资格终止
interruptIdleWorkers(ONLY_ONE); //中断workers集合中的空闲任务，参数为true，只中断一个
return;
}
/**
* 如果状态是SHUTDOWN，workQueue也为空了，正在运行的worker也没有了，开始terminated
*/
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//CAS：将线程池的ctl变成TIDYING（所有的任务被终止，workCount为0，为此状态时将会调用terminated()方法），期间ctl有变化就会失败，会再次for循环
if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
try {
terminated(); //需子类实现
}
finally {
ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0)); //将线程池的ctl变成TERMINATED
termination.signalAll(); //唤醒调用了 等待线程池终止的线程 awaitTermination()
}
return;
}
}
finally {
mainLock.unlock();
}
// else retry on failed CAS
// 如果上面的CAS判断false，再次循环
}
}tryTerminate() 执行流程：
1、判断线程池是否需要进入终止流程（只有当shutdown状态+workQueue.isEmpty 或 stop状态，才需要）
2、判断线程池中是否还有线程，有则 interruptIdleWorkers(ONLY_ONE) 尝试中断一个空闲线程（正是这个逻辑可以再次发出中断信号，中断阻塞在获取任务的线程）
3、如果状态是SHUTDOWN，workQueue也为空了，正在运行的worker也没有了，开始terminated
会先上锁，将线程池置为tidying状态，之后调用需子类实现的 terminated()，最后线程池置为terminated状态，并唤醒所有等待线程池终止这个Condition的线程
二、shutdownNow() -- 强硬的终止线程池
/**
* Attempts to stop all actively executing tasks, halts the
* processing of waiting tasks, and returns a list of the tasks
* that were awaiting execution. These tasks are drained (removed)
* from the task queue upon return from this method.
* 尝试停止所有活动的正在执行的任务，停止等待任务的处理，并返回正在等待被执行的任务列表
* 这个任务列表是从任务队列中排出（删除）的
*
* This method does not wait for actively executing tasks to
* terminate. Use {@link #awaitTermination awaitTermination} to
* do that.
* 这个方法不用等到正在执行的任务结束，要等待线程池终止可使用awaitTermination()
*
*
There are no guarantees beyond best-effort attempts to stop
* processing actively executing tasks. This implementation
* cancels tasks via {@link Thread#interrupt}, so any task that
* fails to respond to interrupts may never terminate.
* 除了尽力尝试停止运行中的任务，没有任何保证
* 取消任务是通过Thread.interrupt()实现的，所以任何响应中断失败的任务可能永远不会结束
*
* @throws SecurityException {@inheritDoc}
*/
public List shutdownNow() {
List tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁
try {
//判断调用者是否有权限shutdown线程池
checkShutdownAccess();
//CAS+循环设置线程池状态为stop
advanceRunState(STOP);
//中断所有线程，包括正在运行任务的
interruptWorkers();
tasks = drainQueue(); //将workQueue中的元素放入一个List并返回
}
finally {
mainLock.unlock(); //解锁
}
//尝试终止线程池
tryTerminate();
return tasks; //返回workQueue中未执行的任务
}
shutdownNow() 和 shutdown()的大体流程相似，差别是：
1、将线程池更新为stop状态
2、调用 interruptWorkers() 中断所有线程，包括正在运行的线程
3、将workQueue中待处理的任务移到一个List中，并在方法最后返回，说明shutdownNow()后不会再处理workQueue中的任务
interruptWorkers()
private void interruptWorkers() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
for (Worker w : workers)
w.interruptIfStarted();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}interruptWorkers() 很简单，循环对所有worker调用 interruptIfStarted()，其中会判断worker的AQS state是否大于0，即worker是否已经开始运作，再调用Thread.interrupt()
需要注意的是，对于运行中的线程调用Thread.interrupt()并不能保证线程被终止，task.run()内部可能捕获了InterruptException，没有上抛，导致线程一直无法结束
三、awaitTermination() -- 等待线程池终止
参数：
timeout：超时时间
unit： timeout超时时间的单位
返回：
true：线程池终止
false：超过timeout指定时间
在发出一个shutdown请求后，在以下3种情况发生之前，awaitTermination()都会被阻塞
1、所有任务完成执行
2、到达超时时间
3、当前线程被中断
/**
* Wait condition to support awaitTermination
*/
private final Condition termination = mainLock.newCondition();awaitTermination() 循环的判断线程池是否terminated终止 或 是否已经超过超时时间，然后通过termination这个Condition阻塞等待一段时间
termination.awaitNanos() 是通过 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout)实现的阻塞等待
阻塞等待过程中发生以下具体情况会解除阻塞（对上面3种情况的解释）：
1、如果发生了 termination.signalAll()（内部实现是 LockSupport.unpark()）会唤醒阻塞等待，且由于ThreadPoolExecutor只有在 tryTerminated()尝试终止线程池成功，将线程池更新为terminated状态后才会signalAll()，故awaitTermination()再次判断状态会return true退出
2、如果达到了超时时间 termination.awaitNanos() 也会返回，此时nano==0，再次循环判断return false，等待线程池终止失败
3、如果当前线程被 Thread.interrupt()，termination.awaitNanos()会上抛InterruptException，awaitTermination()继续上抛给调用线程，会以异常的形式解除阻塞
故终止线程池并需要知道其是否终止可以用如下方式：
executorService.shutdown();
try{
while(!executorService.awaitTermination(500, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
LOGGER.debug("Waiting for terminate");
}
}
catch (InterruptedException e) {
//中断处理
}
参考资料：
深入理解java线程池—ThreadPoolExecutor