解析 `ThreadPoolExecutor` 类是如何保证线程池正确运行

对于线程池的核心类 ThreadPoolExecutor来说，有哪些重要的属性和内部类为线程池的正确运行提供重要的保障呢？

ThreadPoolExecutor 类中的重要属性

在 ThreadPoolExecutor 类中，存在几个非常重要的属性和方法，接下来，我们就介绍下这些重要的属性和方法。

ctl 相关的属性

AtomicInteger 类型的常量 ctl 是贯穿线程池整个生命周期的重要属性，它是一个原子类对象，主要用来保存线程的数量和线程池的状态，我们看下与这个属性相关的代码如下所示。

//主要用来保存线程数量和线程池的状态，高3位保存线程状态，低29位保存线程数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

// 线程池中线程的数量的位数（32-3）
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;

// 表示线程池中的最大线程数量
// 将数字1的二进制值向右移29位，再减去1
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// 线程池的运行状态
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;

// 获取线程状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

// 获取线程数量
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
  return c < s;
}

private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
  return c >= s;
}

private static boolean isRunning(int c) {
  return c < SHUTDOWN;
}

private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
  return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}

private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {
  return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);
}

private void decrementWorkerCount() {
  do {} while (! compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));
}

对于线程池的各状态说明如下所示。

• RUNNING: 运行状态，能接收新提交的任务，并且也能处理阻塞队列中的任务

• SHUTDOWN: 关闭状态，不能再接收新提交的任务，但是可以处理阻塞队列中已经保存的任务，当线程池处于 RUNNING 状态时，调用 shutdown() 方法会使线程池进入该状态

• STOP: 不能接收新任务，也不能处理阻塞队列中已经保存的任务，会中断正在处理任务的线程，如果线程池处于 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态，调用 shutdownNow() 方法，会使线程池进入该状态

• TIDYING: 如果所有的任务都已经终止，有效线程数为 0（阻塞队列为空，线程池中的工作线程数量为 0），线程池就会进入该状态。

• TERMINATED: 处于 TIDYING 状态的线程池调用 terminated () 方法，会使用线程池进入该状态

也可以按照 ThreadPoolExecutor 类的注释，将线程池的各状态之间的转化总结成如下图所示。

image.png

• RUNNING -> SHUTDOWN：显式调用 shutdown() 方法, 或者隐式调用了 finalize() 方法

• (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP：显式调用 shutdownNow() 方法

• SHUTDOWN -> TIDYING：当线程池和任务队列都为空的时候

• STOP -> TIDYING：当线程池为空的时候

• TIDYING -> TERMINATED：当 terminated() hook 方法执行完成时候

其他重要属性

除了 ctl 相关的属性外，ThreadPoolExecutor 类中其他一些重要的属性如下所示。

// 用于存放任务的阻塞队列  
private final BlockingQueue workQueue;

// 可重入锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();

// 存放线程池中线程的集合，访问这个集合时，必须获得mainLock锁
private final HashSet workers = new HashSet();

// 在锁内部阻塞等待条件完成
private final Condition termination = mainLock.newCondition();

// 线程工厂，以此来创建新线程
private volatile ThreadFactory threadFactory;

// 拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;

// 默认的拒绝策略
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();

ThreadPoolExecutor 类中的重要内部类

在 ThreadPoolExecutor 类中存在对于线程池的执行至关重要的内部类，Worker 内部类和拒绝策略内部类。接下来，我们分别看这些内部类。