源码角度看待线程池的执行流程

---

前言

线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待空闲状态。如果有新的线程任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，线程池会创建一个新线程进行处理或者放入队列（工作队列）中等待。
线程池在多线程编程中扮演着重要角色，它能够管理和复用线程，提高并发执行效率。
在之前的学习中，我们知道了线程池的基本流程如下，而今天我们则用这个流程配合着源码的来重新分析线程池的执行流程。

---

一、线程池的相关接口和实现类

1.Executor接口

public interface Executor {
    /**
     * Executes the given command at some time in the future.  The command
     * may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling
     * thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.
     *
     * @param command the runnable task
     * @throws RejectedExecutionException if this task cannot be
     * accepted for execution
     * @throws NullPointerException if command is null
     */
    void execute(Runnable command);
}

Executor接口作为线程池技术中的顶层接口，它的作用是用来定义线程池中，用于提交并执行线程任务的核心方法：exuecte()方法。未来线程池中所有的线程任务，都将由exuecte()方法来执行。

2.ExecutorService接口

public interface ExecutorService extends Executor {
	//.....
}

ExecutorService接口继承了Executor接口，扩展了awaitTermination()、submit()、shutdown()等专门用于管理线程任务的方法。

3.AbstractExecutorService接口

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
	//....
}

ExecutorService接口的抽象实现类AbstractExecutorService，为不同的线程池实现类，提供submit()、invokeAll()等部分方法的公共实现。但是由于在不同线程池中的核心方法exuecte()执行策略不同，所以在AbstractExecutorService并未提供该方法的具体实现。

4.ThreadPoolExecutor 实现类

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
	//...
}

ThreadPoolExecutor实现类是AbstractExecutorService接口的的两个重要实现类之一，（ForkJoinPool是另一个），也是要掌握的关于线程池的重点区域；
ThreadPoolExecutor线程池通过Woker工作线程、BlockingQueue阻塞工作队列 以及 拒绝策略实现了一个标准的线程池；

---

二、ThreadPoolExecutor源码解析

在对源码进行解析之前，我们先看看官方给我们关于ThreadPoolExecutor的解析是什么：

The main pool control state, ctl, is an atomic integer packing
* two conceptual fields
* workerCount, indicating the effective number of threads
* runState, indicating whether running, shutting down etc
* …

这句话什么意思呢？
主池控制状态ctl是一个原子整数封装？

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

再结合ctl的实例化，我们这个发现这个ctl是一个具有原子性的整数，再往后就是告诉我们这个具有原子性的整数是由两个概念组成的：workerCount工作线程数和runState运行状态。
他是一个32位的整数，具体表示形式位：

所以说，它的作用就是通过位运算来存储线程池的状态和活动线程数信息。

1.Worker内部类

每个Woker类的对象，都代表线程池中的一个工作线程。
Worker类是ThreadPoolExecutor类中定义的一个私有内部类，保存了每个Worker工作线程要执行的Runnable线程任务和Thread线程对象。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {	
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

        //用于存储当前工作线程的引用。
        final Thread thread;
		//用于存储该工作线程要执行的第一个任务。
        Runnable firstTask;
        //用于记录该工作线程已经完成的任务数量
        volatile long completedTasks;

       //初始化工作线程的状态，设置第一个任务并创建一个线程对象
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
        //Runnable 接口的 run 方法，调用了 runWorker(this)，将工作线程自身作为参数传递给 runWorker方法
        public void run() {
            runWorker(this);
        }
		//因为继承了AbstractQueuedSynchronizer 类，一下方法都是基于线程安全的方法
		//.....       
    }

当ThreadPoolExecutor线程池，通过exeute()方法执行1个线程任务时，会调用addWorker()方法创建一个Woker工作线程对象。并且，创建好的Worker工作线程对象，会被添加到一个HashSet workders工作线程集合，统一由线程池进行管理。
当Worker工作线程，在第一次执行完成线程任务后，这个Worker工作线程并不会销毁，而是会以循环的方式，通过线程池的getTask()方法，获取阻塞工作队列中新的Runnable线程任务，并通过当前Worker工作线程中所绑定Thread线程，完成新线程任务的执行，从而实现了线程池的中Thread线程的重复使用。

2.execute()方法

ThreadPoolExecutor线程池中，会通过execute(Runnable command)方法执行Runnable类型的线程任务。
在分析execute（）方法之前，也来看看官方是怎么解释这个方法的：

    /*
     * 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.
     */

简单来说就是将execute（）方法分成三个步骤：
1.如果，工作线程的数量小于核心线程数，则通过addWorker()方法，创建新的Worker工作线程，并添加至workers工作线程集合；
2.如果一个任务可以成功排队(工作线程的数量大于核心线程数)，并且线程池处于RUNNING状态，那么，线程池会将Runnable类型的线程任务，缓存至workQueue阻塞工作队列，等待某个空闲工作线程获取并执行该任务；
3.如果我们不能排队任务，那么我们尝试添加一个新的线程。如果它失败了，我们知道我们被关闭或饱和了,因此拒绝该任务。

源码:

/* 
   *@param 要提交给线程池的任务
*/
public void execute(Runnable command) {
		//如果传入的任务为空，抛出空指针异常。
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        //获取当前线程池的状态和活动线程数。
        int c = ctl.get();
        //如果当前线程数小于核心线程数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        	//如果可以通过addWorker方法创建一个新的工作线程来执行任务
        	//因为当前线程数小于核心线程数，所以第二个参数穿入true代表创建的是核心线程
            if (addWorker(command, true))
                return;//创建成功，直接返回。
            //创建失败，获取更新后的线程池状态
            c = ctl.get();
        }
        //如果线程池状态是运行中且工作队列能够接受新任务
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        	//任务进入工作队列
        	//重新获取线程池的状态和工作线程数
            int recheck = ctl.get();
            //如果线程池不是运行状态，则删除任务
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))、
            	//执行拒绝策略
                reject(command);
            // 如果工作线程数等于零，通过addWorker()方法检查线程池状态和工作队列
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //如果无法将任务添加到队列中，也无法创建新的工作线程，那么拒绝任务的执行
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

3.addWorker()方法

在分析execute（）方法中，发现execute（）方法多次调用了addWorker()创建一个工作线程，用于执行当前线程任务。
addWorker（）可以分为两个执行部分，检查线程池的状态和工作线程数量和创建并执行工作线程。
第1部分：检查线程池的状态和工作线程数量

//参数：1.传入的任务，2.是否创建核心线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
	// 循环检查线程池的状态，直到符合创建工作线程的条件，通过retry标签break退出
        retry:
        for (;;) {
        	//获取线程池运行状态
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            //如果线程池处于开始关闭的状态（获取线程任务为空，同时工作队列不等于空）
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
                return false;
            //检查工作线程数量
            for (;;) {
            	//获取当前工作线程数
                int wc = workerCountOf(c);
                //如果工作线程数量如果超出线程池的最大容量或者核心线程数(最大线程数)
                //三元运算符表示的是当前要的是核心线程还是非核心线程
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;//不再创建新的线程
                //通过ctl对象，将当前工作线程数量+1，并通过retry标签break退出外层循环
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                //再次获取线程池状态,检查是否发生变化
                c = ctl.get();  
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                //...
            }
        }
    }

第二部分:创建并执行线程工程

		//....
		//用于判断工作线程是否启动和保存
		boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
        	//创建新工作线程,并通过线程工厂创建Thread线程
            w = new Worker(firstTask);
            //获取新工作线程的Thread线程对象,用于启动真正的线程
            final Thread t = w.thread;   
            if (t != null) {
            	//获取线程池的reentrantLock主锁，保证线程安全
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    //检查线程池运行状态
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    //如果线程池状态小于关闭状态或者线程池状态为关闭且没有初始任务
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        //如果工作线程已经在运行（存活），抛出非法线程状态异常。
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        //保存工作线程
                        workers.add(w);
                        //记录线程池的最大工作线程数
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                //正式启动线程
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
        	//如果工作线程没有成功启动,则调用添加失败的方法
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        //返回线程启动状态
        return workerStarted;

---

总结

execute（）方法是ThreadPoolExecutor线程池执行的开始，它完整实现了Executor接口定义execute()方法，这个方法作用是执行一个Runnable类型的线程任务。整体的执行流程是：