多线程-JUC学习-线程池-线程池源码分析
1 内部状态
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }其中AtomicInteger变量ctl的功能非常强大：利用低29位表示线程池中线程数，通过高3位表示线程池的运行状态：
1、RUNNING：该状态的线程池会接收新任务，并处理阻塞队列中的任务；
2、SHUTDOWN：该状态的线程池不会接收新任务，但会处理阻塞队列中的任务；
3、STOP ： 该状态的线程不会接收新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，而且会中断正在运行的任务；
4、TIDYING ：所有的任务都已经终止；
5、TERMINATED： terminated()方法已经执行完成 
2 任务的执行
execute –> addWorker –>runworker （getTask）
线程池的工作线程通过Woker类实现，在ReentrantLock锁的保证下，把Woker实例插入到HashSet后，并启动Woker中的线程。
从Woker类的构造方法实现可以发现：线程工厂在创建线程thread时，将Woker实例本身this作为参数传入，当执行start方法启动线程thread时，本质是执行了Worker的runWorker方法。
firstTask执行完成之后，通过getTask方法从阻塞队列中获取等待的任务，如果队列中没有任务，getTask方法会被阻塞并挂起，不会占用cpu资源；
2.1 execute()方法
ThreadPoolExecutor.execute(task)实现了Executor.execute(task)
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//workerCountOf获取线程池的当前线程数；小于corePoolSize，执行addWorker创建新线程执行command任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// double check: c, recheck
// 线程池处于RUNNING状态，把提交的任务成功放入阻塞队列中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// recheck and if necessary 回滚到入队操作前，即倘若线程池shutdown状态，就remove(command)
//如果线程池没有RUNNING，成功从阻塞队列中删除任务，执行reject方法处理任务
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//线程池处于running状态，但是没有线程，则创建线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 往线程池中创建新的线程失败，则reject任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}2.2 addWorker方法
从方法execute的实现可以看出：addWorker主要负责创建新的线程并开始执行任务，boolean的core只是为了判断是与核心线程数相比还是 最大线程数相比。
线程池创建新线程执行任务时，需要 获取全局锁：
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// CAS更新线程池数量
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;//break的是外层循环
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 线程池重入锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
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();
}
if (workerAdded) {
t.start(); // 线程启动，执行任务（Worker.thread(firstTask).start()）;
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}2.3 Worker类与其runworker，getTask方法
2.3.1 Worker类
Worker类继承了AQS类，可以方便的实现工作线程的中止操作；
实现了Runnable接口，可以将自身作为一个任务在工作线程中执行；
当前提交的任务firstTask作为参数传入Worker的构造方法；
构造函数完成了工作：
- 设置worker AQS状态为 -1
- 持有了runnable的用户任务 firstTask
- 创建线程，将自己传入，所以线程的start就是起线程运行worker的run方法——》也就是启动runWorker。
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable{
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this); // 创建线程，将自己传入，所以线程的start就是起线程运行worker的run方法
}
/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
runWorker(this);
}
// ...
}2.3.2 runWorker方法
runWorker方法是线程池的核心：
通过判断getTask方法能不能返回task，判断是否要一直循环不结束该worker
1. 线程启动之后，通过unlock方法释放锁，设置AQS的state为0，独占线程设为null；
2. getTask 执行firstTask或从workQueue中获取任务
Worker执行firstTask或从workQueue中获取任务：
2.1. 进行加锁操作，保证thread不被其他线程中断（除非线程池被中断）
2.2. 检查线程池状态，倘若线程池处于中断状态，当前线程将中断。
2.3. 执行beforeExecute （空实现）
2.4 执行任务的run方法
2.5 执行afterExecute方法
2.6 解锁操作
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 先执行firstTask，再从workerQueue中取task（getTask())
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
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 {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}2.3.3 getTask方法（核心线程外线程关闭逻辑）
通过getTask方法从阻塞队列中获取等待的任务
如果工作线程数大于核心线程数且workqueue为空，则将工作线程减1，并返回null。
如果工作线程数大于核心线程数且workqueue不为空，则从workqueue中使用poll方式（保证在线程存活时间内）获取task，并返回
如果工作线程数小于核心线程数，则从workqueue中使用take方式（保证在workqueue中没有task的时候，线程会阻塞）获取task，并返回
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))//将工作线程减一，并终止runworker的无限循环
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}3 任务的提交
3.1 submit方法
AbstractExecutorService.submit()实现了ExecutorService.submit()
可以获取执行完的返回值, 而ThreadPoolExecutor 是AbstractExecutorService.submit()的子类，所以submit方法也是ThreadPoolExecutor的方法。
// submit()在ExecutorService中的定义
Future submit(Callable task);
Future submit(Runnable task, T result);
Future submit(Runnable task); // submit方法在AbstractExecutorService中的实现
public Future submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 通过sunewTaskFormit方法将提交的任务被封装成了一个FutureTask对象。
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
} protected RunnableFuture newTaskFor(Callable callable) {
return new FutureTask(callable);
} protected RunnableFuture newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
return new FutureTask(runnable, value);
} 通过Executor.execute方法提交FutureTask到线程池中等待被执行，最终执行的是FutureTask的run方法；
3.2 FutureTask对象
public class FutureTask
public interface RunnableFuture
可以将FutureTask提交至线程池中等待被执行（通过FutureTask的run方法来执行，上面execute已经讲过了）
3.2.1 内部状态与构造函数
其中需要注意的是state是volatile类型的，也就是说只要有任何一个线程修改了这个变量，那么其他所有的线程都会知道最新的值。
/* The run state of this task, initially NEW.
* ...
* Possible state transitions:
* NEW -> COMPLETING -> NORMAL
* NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
* NEW -> CANCELLED
* NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
*/
private volatile int state;
private static final int NEW = 0;
private static final int COMPLETING = 1;
private static final int NORMAL = 2;
private static final int EXCEPTIONAL = 3;
private static final int CANCELLED = 4;
private static final int INTERRUPTING = 5;
private static final int INTERRUPTED = 6;构造函数会把传入的Runnable封装成一个Callable对象保存在callable字段中，同时如果任务执行成功的话就会返回传入的result。这种情况下如果不需要返回值的话可以传入一个null（线程池中默认的使用了null）。此处使用了适配器模式
public FutureTask(Callable callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
——————————————————————————————————————————————————————————————————————
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
public static Callable callable(Runnable task, T result) {
if (task == null)
throw new NullPointerException();
return new RunnableAdapter(task, result);
}
static final class RunnableAdapter implements Callable {
final Runnable task;
final T result;
RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
this.task = task;
this.result = result;
}
public T call() {
task.run();
return result;
}
}
3.2.2 get方法
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
} 内部通过awaitDone方法对主线程进行阻塞，具体实现如下
- 如果主线程被中断，则抛出中断异常；
- 判断FutureTask当前的state，如果大于COMPLETING，说明任务已经执行完成，则直接返回；
- 如果当前state等于COMPLETING，说明任务已经执行完，这时主线程只需通过yield方法让出cpu资源，等待state变成NORMAL；
- 通过WaitNode类封装当前线程，并通过UNSAFE添加到waiters链表；
- 最终通过LockSupport的park或parkNanos挂起线程；
static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
// 计算等待截止时间
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
// 1. 判断阻塞线程是否被中断,如果被中断则在等待队
// 列中删除该节点并抛出InterruptedException异常
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
// 2. 获取当前状态，如果状态大于COMPLETING
// 说明任务已经结束(要么正常结束，要么异常结束，要么被取消)
// 则把thread显示置空，并返回结果
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
// 3. 如果状态处于中间状态COMPLETING
// 表示任务已经结束但是任务执行线程还没来得及给outcome赋值
// 这个时候让出执行权让其他线程优先执行
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
// 4. 如果等待节点为空，则构造一个等待节点
else if (q == null)
q = new WaitNode();
// 5. 如果还没有入队列，则把当前节点加入waiters首节点并替换原来waiters
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
// 如果需要等待特定时间，则先计算要等待的时间
// 如果已经超时，则删除对应节点并返回对应的状态
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
// 6. 阻塞等待特定时间
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
// 6. 阻塞等待直到被其他线程唤醒
LockSupport.park(this);
}
}假设当前state=NEW且waiters为NULL,也就是说还没有任何一个线程调用get()获取执行结果，这个时候有两个线程threadA和threadB先后调用get()来获取执行结果。再假设这两个线程在加入阻塞队列进行阻塞等待之前任务都没有执行完成且threadA和threadB都没有被中断的情况下(因为如果threadA和threadB在进行阻塞等待结果之前任务就执行完成或线程本身被中断的话，awaitDone()就执行结束返回了)，执行过程是这样的，以threadA为例:
- 第一轮for循环，执行的逻辑是q == null,所以这时候会新建一个节点q。第一轮循环结束。
- 第二轮for循环，执行的逻辑是!queue，这个时候会把第一轮循环中生成的节点的netx指针指向waiters，然后CAS的把节点q替换waiters。也就是把新生成的节点添加到waiters链表的首节点。如果替换成功，queued=true。第二轮循环结束。
- 第三轮for循环，进行阻塞等待。要么阻塞特定时间，要么一直阻塞知道被其他线程唤醒。
3.2.3 run方法，线程池worker调用的run方法
public void run() {
// 1. 状态如果不是NEW，说明任务或者已经执行过，或者已经被取消，直接返回
// 2. 状态如果是NEW，则尝试把当前执行线程保存在runner字段中
// 如果赋值失败则直接返回
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
// 3. 执行任务
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
// 4. 任务异常
setException(ex);
}
if (ran)
// 4. 任务正常执行完毕
set(result);
}
} finally {
// runner must be non-null until state is settled to
// prevent concurrent calls to run()
runner = null;
// state must be re-read after nulling runner to prevent
// leaked interrupts
int s = state;
// 5. 如果任务被中断，执行中断处理
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
} 