线程池 ThreadPoolExecutor 原理及源码笔记

前言

前面在学习 JUC 源码时，很多代码举例中都使用了线程池 ThreadPoolExecutor，并且在工作中也经常用到线程池，所以现在就一步一步看看，线程池的源码，了解其背后的核心原理。

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介绍

什么是线程池

线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。

—— 维基百科

为什么要使用线程池

1. 降低资源消耗：通过池化技术重复利用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的损耗。
2. 提高响应速度：任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
3. 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，如果无限制创建，不仅会消耗系统资源，还会因为线程的不合理分布导致资源调度失衡，降低系统的稳定性。使用线程池可以进行统一的分配、调优和监控。

如何使用线程池

线程池使用有很多种方式，不过按照《Java 开发手册》描述，尽量还是要使用 ThreadPoolExecutor 进行创建。

代码举例：

ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

那创建线程池的这些构造参数有什么含义？线程池的运行原理是什么？下面则开始通过源码及作图一步一步的了解。

源码分析

参数介绍

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    /**
    * ctx 为原子类型的变量, 有两个概念
    * workerCount, 表示有效的线程数
    * runState, 表示线程状态, 是否正在运行, 关闭等
    */
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    // 29
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    // 容量 2²⁹-1
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
    // runState is stored in the high-order bits 线程池的五中状态
    // 即高3位为111, 接受新任务并处理排队任务
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    // 即高3位为000, 不接受新任务, 但处理排队任务
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    // 即高3位为001, 不接受新任务, 不处理排队任务, 并中断正在进行的任务
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    // 即高3位为010, 所有任务都已终止, 工作线程为0, 线程转换到状态TIDYING, 将运行terminate()钩子方法
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    // 即高3位为011, 标识terminate（）已经完成
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;
    // Packing and unpacking ctl 用来计算线程的方法
    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; }
}

构造参数及含义

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    // 省略
}

参数说明：

1. corePoolSize - 核心线程数，提交任务时，如果当前线程池的数量小于 corePoolSize，则创建新线程执行任务。
2. maximumPoolSize - 最大线程数，如果阻塞队列已满，并且线程数小于 maximumPoolSize，则会创建新线程执行任务。
3. keepAliveTime - 当线程数大于核心线程数时，且线程空闲，keepAliveTime 时间后会销毁线程。
4. unit - keepAliveTime 的时间单位。
5. workQueue - 阻塞队列，当线程数大于核心线程数时，用来保存任务。
6. threadFactory - 线程创建的工厂。
7. handler - 线程饱和策略。

线程池执行流程

execute 源码

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {

    public void execute(Runnable command) {
        // 空则抛出异常
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        // 获取当前线程池的状态
        int c = ctl.get();
        // 计算工作线程数 并判断是否小于核心线程数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            // addWorker提交任务, 提交成功则结束
            if (addWorker(command, true))
                return;
            // 提交失败再次获取当前状态
            c = ctl.get();
        }
        // 判断线程状态, 并插入队列, 失败则移除
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            // 再次获取状态
            int recheck = ctl.get();
            // 如果状态不是RUNNING, 并移除失败
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                // 调用拒绝策略
                reject(command);
            // 如果工作线程为0 则调用 addWorker
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 提交任务失败 走拒绝策略
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

}

execute 方法流程和流程图画的相同，值得注意的是：

1. 当前线程数小于核心线程数，则会创建新线程，这里即使是核心线程数有空闲线程也会创建新线程！。
2. 而核心线程里面的空闲线程会不断执行阻塞队列里面的任务。

• workQueue阻塞队列：

1. ArrayBlockingQueue: 是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO(先进先出) 原则对元素进行排序。
2. LinkedBlockingQueue: 一个基于链表结构的阻塞队列,此队列按 FIFO(先进先出) 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
3. SynchronousQueue: 一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作。否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
4. PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列。

• 线程工厂：

// 默认工厂
ThreadFactory threadFactory = Executors.defaultThreadFactory();
// google guava工具提供
ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("demo-pool-%d").build();

一般创建工厂，是为了更好的排查问题，也建议使用工厂指定线程名字。

• handler线程拒绝策略：

当线程池达到最大线程数，并且队列满了，新的线程要采取的处理策略。

1. AbortPolicy 拒绝新任务并抛出RejectedExecutionException异常。
2. CallerRunsPolicy 直接在调用程序的线程中运行。
3. DiscardOldestPolicy 放弃最早的任务, 即队列最前面的任务。
4. DiscardPolicy 丢弃，不处理。

addWorker 源码

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    /**
     * 检查任务是否可以提交
     *
     */
    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        // 外层循环 
        for (;;) {
            // 获取当前状态
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // 检查线程池是否关闭
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;
            // 内层循环 CAS 增加线程个数
            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                // 工作线程大于容量 或者大于 核心或最大线程数
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                // CAS 线程数增加, 成功则调到外层循环
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                // 失败则再次获取线程状态
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                // 不相等则重新走外层循环
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // 否则内层继续循环
            }
        }
        /**
         * 创建新worker 开始新线程
         * 此时已经 CAS 成功了
         */
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            // 创建 Worker
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                // 加锁，防止多线程同时执行线程池的 execute
                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)) {
                        // 判断线程是否存活, 已存活抛出非法异常
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        // 添加任务
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        // 设置池最大大小, 并将 workerAdded设置为 true
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    // 解锁
                    mainLock.unlock();
                }
                // 添加成功 开始启动线程 并将 workerStarted 设置为 true
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            // 启动线程失败
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }
    /**
     * 启动线程失败, 加锁
     * 移除线程, 并减少线程总数
     * 转换状态
     */
    private void addWorkerFailed(Worker w) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (w != null)
                workers.remove(w);
            decrementWorkerCount();
            tryTerminate();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
    }

}

addWorker 代码比较长，主要分为两部分：

1. 双重循环，使用 CAS 增加线程数。
2. 创建工作线程 Worker ，并使用独占锁，将其添加到线程池，并启动。

总结

Q&A

Q: 线程池的原理及相关参数？

A: 主要参数为核心线程数、阻塞队列、最大线程数、拒绝策略。

Q: 线程池的线程是怎么回收的？
A: 线程被创建之后，如果 task == null 或者调用 getTask 获取任务为 null，则调用 processWorkerExit 对线程执行清理工作。

清理时只是从 HashSet workers 中移除该 Worker，之后该线程会被 JVM 自动回收。

Q: 核心线程是不是就不可以回收了？
A: 核心线程数只会增加，而又没有回收，这时候假如线程池没有任务，就会一直维持核心线程。

当然也可以通过调用 allowCoreThreadTimeOut 方法，设置是否允许回收核心线程。

结束语

通过阅读 ThreadPoolExecutor 了解线程池的基本结构和原理，至于其他的更多扩展，文章篇幅有限，就需要小伙伴们自己阅读了。

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