【JavaEE】线程池(ThreadPoolExecutor)源码解析
对于线程池，我们也不陌生，在之前的博文中，我自己已经实现了一个线程池的核心部分【JavaEE】自主实现java线程池的核心部分。那么，现在我们来分析一下，java的线程池是怎么实现的。
首先我们先来看它的static成员：
// AtomicInteger提供原子操作来进行Integer的使用，因此十分适合高并发情况下的使用
// 这里为了避免多线程访问同一个数据出错，使用AtomicInteger 类来定义变量
// 用它来记录线程的个数
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 用个数来作为一个标准，参与之后的位运算来表示不同状态
// 此时的COUNT_BITS 值为 32-3 = 29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 容纳的线程最大的个数
// CAPACITY 二进制运算过程：
// 1<<29；0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 （补码）
//(1 << COUNT_BITS) - 1：0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111（补码）
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
// RUNNING 二进制运算过程：
// -1:1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111（补码）
// 左移29位： 1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// SHUTDOWN 二进制运算过程：
// 0:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000（补码）
// 左移29位： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// STOP 二进制运算过程：
// 1:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001（补码）
// 左移29位： 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// TIDYING 二进制运算过程：
// 2:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010（补码）
// 左移29位： 0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// TERMINATED 二进制运算过程：
// 3:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011（补码）
// 左移29位： 0110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
可见，线程池有五个状态，分别是：
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，
TERMINATED ：终止状态，terminated方法调用完成以后的状态。
关于状态详细解说， 可以参考这篇博文线程池的五种状态
而对于上述这些状态，可以看到他们的二进制补码，只有前三位是有效的，后面的位数全是0，并且，这些值是越来越大的。我们继续看源代码。
构造方法：
// 这四个构造方法，我们在用的时候，也需要传递很多的参数；
// 其中，三个构造方法都会调用最后一个构造方法
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
threadFactory, defaultHandler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), handler);
}
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
// 这里进行检测，如果最基础的“硬性要求”都没有达到，那直接抛异常
// 如果符合，那就进行成员的初始化
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
execute(）方法：
// 这个方法是用户提交任务到线程池执行的方法，我们在外面对线程池初始化完成后，会执行它
public void execute(Runnable command) {
// 判断这个任务是否存在
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
// 获取到的c，表示当前线程的个数和线程池的状态
int c = ctl.get();
// 判断正在工作的线程的个数是否小于核心线程数
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 如果小于，则创建一个线程来运行当前的任务
if (addWorker(command, true))
// 成功，立即返回
return;
c = ctl.get();
}
// 检测当前的线程池是否处在Running状态，如果是，将任务放在阻塞队列
// 这里进行检测是因为有可能线程池已经处于非 RUNNING 状态，
// 而非 RUNNING 状态下是抛弃新任务的。
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次进行检测，线程池是否处在Running状态，
// 如果不是，直接从阻塞队列中将这个任务删除
// 再次检测是因为添加任务到任务队列后，
// 有可能线程池的状态已经变化了，这里进行二次校验，
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
// 执行拒绝策略，
reject(command);
// 如果线程池处于运行状态但是线程池的工作个数等于0
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
// 增加一个线程
addWorker(null, false);
}
// 如果线程池处于运行态但是阻塞队列满了，
// 那就新生成一个线程去执行该任务
else if (!addWorker(command, false))// 如果当前的线程数已经大于maximumPoolSize，会失败
// 如果生成新线程失败，直接执行拒绝策略，
reject(command);
}
addWorker()方法：
// 申请一个新的线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// retry相当于是一个标记，
// 后面执行到retry的时候，会跳出这个循环
// retry详解请看这篇博客
// https://www.cnblogs.com/captainad/p/10931314.html
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
// rs是当前线程池的状态
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
// 前面分析，这几个状态值是依次增大的
// 如果线程池已经关闭，
// 或者阻塞队列是空，那就可以继续在队里列存放任务，创建线程是失败的
// 只要线程池是Running状态，就一定不会进入这个判断中
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
// 获得当前线程池中线程的数量
int wc = workerCountOf(c);
// 如果已经超过容量(0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111)
// 或者已经超过corePoolSize ，那就放入阻塞队列(core为true，与corePoolSize比，
// 认为是没有达到corePoolSize，所以做个比较)
// 或者已经超过maximumPoolSize，直接执行拒绝策略(core为false，
// 与maximumPoolSize比，认为是没有达到maximumPoolSize，所以做个比较)
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
// 这里都会创建新线程失败
return false;
// 执行到这，表明可以创建新线程，给新线程数增加一
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
// 跳出循环
break retry;
// 执行到这表明cas失败了，
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 检测状态是否改变
if (runStateOf(c) != rs)
// 状态已经改变，则回到外层循环重新获取状态
continue retry;
// 否则，继续内层循环
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
// 走到这一步，表明可以创建新线程了
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 用新任务来创建一个新线程
// 在Woker的构造里面，会创建一个新线程去执行当前任务，
// 并且把启动这个新线程的权利交给Woker里的thread变量
// 现在把这个变量赋值给t，那t就可以控制新线程的启动，
// 只要t.start()就可以启动，当然，现在还需要进行判断，之后才能启动
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 为了解决多线程安全的问题,
// 会涉及到很多的对于线程的增加或删除，
// 采用mainLock.lock(); 保证在添加线程和删除线程的同步。
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 获取当前线程池的状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 如果线程池处于运行态，直接进入到if中
// 如果线程池关闭了并且新任务是null，那直接取消增加该新线程
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 如果新线程已经启动，直接抛出异常，因为这里还没有判断完毕，不能启动
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 给线程的所有结合增加一个新线程
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 保证largestPoolSize 的值一定大于等于所有的线程个数
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
// 执行到这，表明新增线程的统计工作已经基本完成了
workerAdded = true;
}
} finally {
// 释放锁的过程，
// 让其他新线程得以继续增加或删除
mainLock.unlock();
}
// 检测是否增家了新线程
if (workerAdded) {
// 如果增加了新线程，就启动它
// 这里也不是立马就执行任务，而是等待cpu调度线程执行任务
// 后面会进行分析
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 判断新线程是否已经启动
if (! workerStarted)
// 没有启动，那就说明出现了问题，先把这个新线程销毁了
addWorkerFailed(w);
}
// 返回新线程的最终运行状态来代表创建的失败与否
return workerStarted;
}
private void addWorkerFailed(Worker w) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 和上面一样，为了保证多线程安全
mainLock.lock();
try {
// 将线程从线程集合中删掉
if (w != null)
workers.remove(w);
// 减少线程数量
decrementWorkerCount();
// 尝试终止状态
tryTerminate();
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
}
Worker类：
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable {
// addWorker（）就是里面创建Woker就是调用这个构造
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
// 在addWorker()执行的时候会调用这个方法
runWorker(this);
}
}
runWorker()方法：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
// 获得woker里的任务
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 这里，将woker设置为 允许进行中断
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 当前线程执行完一个task，会在循环采用getTask在阻塞队列中拿任务执行
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 {
// 任务执行前干一些事情，这些方法由用户去实现
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 真正执行任务
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 {
// 任务执行前干一些事情，这些方法由用户去实现
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
//线程记录一下自己完成的任务数量。
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 将执行完的这个worker从Worker集合中进行清除
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
getTask()方法：
// runWorker()里面的wihle循环中，获取一个新的任务
private Runnable getTask() {
// 获取任务结束了没有，刚开始，还没有进行获取，肯定没有结束
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 轮到执行该任务的时候，获取当前线程池的状态
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
// 进行线程池的状态的检测，如果线程池的状态是关闭状态，那么，这个任务将不被执行
// 如果线程池的状态是SHUTDOWN，但是阻塞队列已经空了，那也要终止这个任务，
// 因为在之前已经写到了，SHUTDOWN状态是拒绝执行阻塞队列的任务的
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// 将Worker中的数量减少一个
decrementWorkerCount();
// 返回null，意味着while()循环结束
return null;
}
// 统计一下当前worker的数量
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
// allowCoreThreadTimeOut默认是false，
// 允许在核心数量范围内的线程因为等待超时是否进行关闭，结果是false
// 表示，在这个核心数量范围内的线程，即使没有任务可以执行，也不会被关闭；、
// 但是当线程的数量大于核心线程的数量的时候，timed = true
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 当前线程数量已经超过最大允许的线程数量，这个线程的任务必定不被执行
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
// 进行线程数量减一
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// runWorker()的while循环结束
return null;
continue;
}
try {
// 如果当前的线程的数量大于核心线程的数量，而且多出来的这些线程没有任务可做，
// 当保持活跃时间到了以后，需要将多出来的这些线程进行关闭，通过poll()方法
// 如果当前的线程的数量小于核心线程的数量，同样也没有任务可做，
// 线程池会把他们进行阻塞，一旦有新任务来了，他们会立即执行。通过take()方法取得任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
// 取得到了任务，返回到RunWorker()中执行任务
if (r != null)
return r;
// 获取任务已经结束
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 获取任务还没有结束
timedOut = false;
}
}
}
至此，线程池的工作流程已经基本分析完毕。其中有些方法比较简单，就没有进行详细分析。总的来说，线程池对于线程的管理是非常到位的，能够在线程不够的情况下，临时申请线程，在线程空闲的情况下，能够及时去删除或者阻塞线程，能够确保线程执行的效率和内存的合理利用。同时，也考虑到了多线程同时进行增加或者删除的操作，进行了加锁，保证了安全性。