Java线程池实现原理及其源码分析

线程池简述

线程池优点:

  • 降低资源消耗:复用已有线程,避免重新创建和销毁带来消耗。
  • 提高相应速度:任务到达即可执行。
  • 提高线程可管理性:线程为稀缺资源,不合理分布导致资源调度失衡,降低系统稳定性。使用线程池可以分配,调优、监控。
  • 其他强大功能:拓展其他功能,如延迟执行任务。

设计与实现

Java线程池核心类是ThreadPoolExecutor,首先看下它类图。



下图是维护线程和执行任务的运行机制:



接下来我们用源码方式来看看这个运行图机制。
public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        //1 直接执行任务,线程目前运行个数低于核心数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        //2 缓冲执行,线程添加进入队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            //3 核心线程为0 或者没有运行线程,开启线程执行任务,任务从队列获取。
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //4 拒绝分配,当前线程数量低于非核心数,直接运行线程
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }
  • 注释1,直接执行任务,线程目前运行个数低于核心数。
  • 注释2,缓冲执行,线程添加进入队列。
  • 注释3,核心线程为0 或者没有运行线程,开启线程执行任务,任务从队列获取。
  • 注释4,拒绝分配,当前线程数量低于非核心数,直接运行线程,否则拒绝。

直接执行,我们继续看看addWorker方法源码,如下:

//1 core 是否以核心线程运行
 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        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;
                 //2 目前运行线程数量小于核心线程数or小于非核心数,线程运行数量+1。
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                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 {
            //3 继承AbstractQueuedSynchronizer实现Runnable类,具体线程处理者。后面会有源码分析。
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                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();
                         //4 添加线程到工作队列
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                //5 开始线程运行
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }
  • 标注1,core 是否以核心线程运行。
  • 标注2,目前运行线程数量小于核心线程数or小于非核心数,线程运行数量+1。
  • 标注3,继承AbstractQueuedSynchronizer实现Runnable类,具体线程处理者。后面会有源码分析。
  • 标注4, 添加线程到工作队列。
  • 标注5,开始线程运行。

通过源码可以知道,线程开始运行调用Worker的run方法,然后调用ThreadPoolExecutor的runWorker方法。

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        //释放引用
        w.firstTask = null;
        //线程允许中断
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            //1 如果有指定任务则执行指定任务,没有则在队列获取任务
            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 {
                    // 线程开始执行任务
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        //2 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 {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    //记录此线程完成个数
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            //3
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }
  • 标注1,如果有指定任务立即执行,可以查看ThreadPoolExecutor的execute方法。运行线程数小于核心数,且队列满且小于非核心数。getTask从队列获取任务。
  • 注释2,执行真正的任务。
  • 注释3,没有可执行的任务或者执行发生异常(通过completedAbruptly字段判断)。

释放线程源码

 private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            //释放线程
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }

        tryTerminate();

        int c = ctl.get();
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {
            if (!completedAbruptly) {
                //获取核心线程数量
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                //运行线程大于核心线程数
                if (workerCountOf(c) >= min)
                    return; // replacement not needed
            }
              //保持核心线程数量
            addWorker(null, false);
        }
    }

以上代码都是分析整个线程池的原理。

参考文献:
Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践

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