Java线程池是如何保证核心线程不被销毁的
来源: Java线程池是如何保证核心线程不被销毁的_朝 花 拾 夕的博客-CSDN博客
对于Java中 Thread 对象，同一个线程对象调用 start 方法后，会在执行完run 后走向终止（TERMINATED）状态，也就是说一个线程对象是不可以通过多次调用 start 方法重复执行 run 方法内容的。
详情可通过该链接了解：Java同一个线程对象能否多次调用start方法
问题：那 Java 线程池中是如何保证核心线程不会终止的呢？
接下来将通过源码分析线程池是如何保证核心线程不被终止的，在分析前需要了解 ThreadPoolExecutor中几个重要成员变量和方法，便于下面源码阅读：
ThreadPoolExecutor 成员变量和方法介绍
- ctl 原子整型变量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
- ctl 包含两个字段
- workerCount：表示线程池中实际生效的线程数；
- runState：表示线程池运行状态（注意和线程状态进行区分），线程池状态包括以下几种：
- RUNNING：可以接收新任务并可执行队列中的任务；
- SHUTDOWN：不接收新任务，但可执行队列中的任务；
- STOP：不接收新任务，不执行队列任务并且中断正在执行的任务；
- TIDYING：所有任务已终止，workerCount 为0，将会运行钩子方法 terminated；
- TERMINATED：terminated 方法调用完成的状态。
- 线程池中实际生效线程的最大容量
//Integer.SIZE等于32
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//实际有效线程的最大容量
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
- 实际生效最大线程数为
2 29 − 1 2^{29} - 1229−1 - 为何使用int类型是因为相对于long运行的更快一点，如果将来int不够用，可以使用AtomicLong代替。
- 线程池运行状态
// runState is stored in the high-order bits
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;
这里我们仅需要知道只有运行（RUNNING）状态是小于0的，其他状态下都是大于等于0的。
4. 获取线程池运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
方法入参 c 即为 ctl，通过该方法位运算可以得到线程池的状态值，并与 3 中的状态进行比较来进行逻辑处理。
5. 获取线程池中当前实际有效的线程数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
同上，方法入参 c 为 ctl 原子整形变量，通过位运算得到线程池中实际的线程数 workCount。
6. 工作线程集合
private final HashSet workers = new HashSet();
线程池中每一个有效线程都会被包装为 Worker 对象。
7. Worker 内部类
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable
- 类 Worker 主要用于维护运行任务线程的中断控制状态；
- 继承 AQS 实现了一个简单的不可重入互斥锁，而不是使用可重入锁，因为不希望工作任务在调用setCorePoolSize之类的池控制方法时能够重新获取锁;
- 为了在线程真正开始运行任务之前禁止中断，将锁状态初始化为负值，并在启动时清除它（runWorker中）。
- 其他如 corePoolSize、maximumPoolSize、threadFactory、workQueue等就不做赘述了。
案例分析
该案例不执行 shutdown 方法，这样可以保证线程池一直处于运行状态(RUNNING)
public static void main(String[] args) {
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 2,
0, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(6),
Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
for (int i = 0; i < 8; i++) {
int num = i;
threadPoolExecutor.execute(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + " - " + num);
System.out.println(threadName + " 开始睡眠...");
try {
//暂缓线程执行
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName +" 结束睡眠...");
});
}
//threadPoolExecutor.shutdown();
}
跟踪 execute 方法源码，查看核心线程是如何被加添到池中的：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
//通过workerCountOf计算出实际线程数
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//未超过核心线程数，则新增 Worker 对象，true表示核心线程
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//核心线程满了，如果线程池处于运行状态则往队列中添加任务
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
//双重检测池是否处于运行状态
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
} else if (!addWorker(command, false))//添加非核心线程
reject(command);
}
根据方法内容和断点跟踪可以得出以下结论：
- 核心线程数未超过 corePoolSize，每添加新的任务（command），都会创建新的线程（Worker中创建），即使有空闲线程存在；
- 核心线程数等于corePoolSize后，如果继续添加新的任务（command），会将任务添加到阻塞队列 workQueue 中，等待调度；
- 如果添加到队列失败，则检查 corePoolSize 是否小于 maximumPoolSize，如果小于则创建新的线程执行任务，直到线程总数 等于 maximumPoolSize；
- 当线程数等于 maximumPoolSize 并且队列已满了，后续新增任务将会触发线程饱和策略。
上面代码中我们关心 addWorker 方法，它有两个参数，第一个是 Runnable 对象，第二参数是标记是否核心线程，true为核心线程，接下来看下源码：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 省略部分代码
......
for (;;) {
//core主要用于判断是否继续创建新线程
int wc = workerCountOf(c);
//workCount 大于总容量或者workCount大于核心线程或最大线程将直接返回
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//通过CAS将c加1，也就是将workCount加1
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//创建新线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
//省略部分代码
......
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
......
if (workerAdded) {
//启动线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
从 addWorker 方法中，可以看到从 Worker 对象中获取到线程对象 t ，并调用 start 方法启动线程，那这个 t 线程是如何来的呢？
扩展：java retry:详解
接下来要看下 Worker 是如何创建线程的：
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
final Thread thread;
/**初始执行任务，有可能为空*/
Runnable firstTask;
/**使用firstTask和来自线程工厂中的线程创建了 Worker 对象*/
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/**将run方法委托给runWorker执行*/
public void run() {
runWorker(this);
}
}
Worker 类实现 Runnable 接口， Worker 类的构造方法中 this.thread = getThreadFactory().newThread(this)比较关键，这行代码的意思是说使用当前 Worker 对象创建了一个线程，那其实也就是说 thread 对象和 当前 Worker 对象中调用的 run 方法是一样的。到这一步我们可以得出上一步 addWorker 方法中的 t.start 调用的其实就是 Worker 类中的 run方法。
那 runWorker 又是如何运行的呢？
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
//获取要执行的任务
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
//轮询调用 getTask 用于获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
//省略部分代码
......
//执行run方法
task.run();
//省略部分代码
......
}
}
runWorker 中使用 while 循环，不断调用 getTask 去获取新任务。
最后看下 getTask 方法做了哪些事：
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false;
//无限循环
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 检查队列是否为空
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
//获取运行线程数，根据allowCoreThreadTimeOut决定是否允许定时等待
int wc = workerCountOf(c);
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//线程超时并且队列为空时通过CAS将实际运行线程数减1
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
//允许超时则调用队列的poll方法定时等待
//否则调用take获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
//获取任务，返回结果
if (r != null)
return r;
//继续循环，并且置超时标识为true
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
通过以上源码可以看出：
- 在for无限循环中，通过不断的检查线程池状态和队列容量，来获取可执行任务；
- 在
Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();代码中，分为两种情况- timed 为 true，允许淘汰 Worker，即实际运行的线程，则通过
workQueue.poll的方式定时等待拉取任务，如果在指定keepAliveTime时间内获取任务则返回，如果没有任务则继续for循环并直到timed等于false； - timed 为 false，则会调用 workQueue.take 方法，队列中 take 方法的含义是当队列有任务时，立即返回队首任务，没有任务时则一直阻塞当前线程，直到有新任务才返回。
- timed 为 true，允许淘汰 Worker，即实际运行的线程，则通过
下面简单画了一下核心线程的序列图：
结论
线程池当未调用 shutdown 方法时，是通过队列的 take 方法阻塞核心线程（Worker）的 run 方法从而保证核心线程不被销毁的。