java线程池原理简析

今天看到别人写的@Async注解的文章，发现自己对java线程池的工作原理有点记不太清了，再翻出源码记录一下吧。
jdk版本：1.8.0_191
核心代码在ThreadPoolExecutor#execute()方法中。
先上此方法的注释：

        /*
         * 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.
         */

这个注释把方法入参command的工作流程写的非常清楚，看完再读代码就非常轻松了。简单的翻译一下。

task 通过以下三步被处理：
1. 如果线程池中当前线程数量小于 corePoolSize 的值，那么尝试开启一个新的线程，并将入参command作为它的firt task。调用addWorker方法时，会自动检查runState以及workerCount, 当它不能新增线程的时候，就返回false来避免错误。
2. 如果一个任务可以成功的进入等待队列，那么我们仍然需要再次检查到底是需要新增一条线程（因为存在现存的线程挂掉的情况）还是说自从接收这个任务后线程池关闭了。所以再次检查state，如果线程池关闭了，就回滚入队操作，拒绝任务；如果线程数为0，就新建一条线程。
3. 如果task并不能成功入队，那么就尝试新建一条线程。如果这个操作失败了，那么线程池就是处于关闭或者饱和的状态，所以就拒绝掉这个task。

核心代码如下:

        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // 对应step1
            if (addWorker(command, true)) // 二参为true，以corePoolSize为边界
                return;
            c = ctl.get();
        }
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {  // 对应step2
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false); // 注意这里firstTask是null。因为走到这里时，task已经在queue里
        }
        else if (!addWorker(command, false)) // 对应step3。二参为false，以maximumPoolSize为边界
            reject(command);

可以简单的总结下流程：
当提交一个新的task时，

1. 当前线程数小于corePoolSize时,尝试addWorker；
2. 大于或者addWorker失败，且线程池没关闭就尝试入队
   入队成功，二次检查：
   2.1 线程池已关闭，回滚入队操作并拒绝task；
   2.2 线程池中没有线程就新增一条线程到线程池
3. 入队失败则尝试新建一个线程接纳任务，还是不行就拒绝任务。

关键方法：addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

分成两部分来看：

1. retry 部分
2. 成功增加线程数后的操作

前半部分

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; // 简单理解为线程池已关闭吧。还要再去看看线程池的生命周期

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                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
            }
        }

注释也挺清楚的，也可以分为内外两个循环来看。
外层循环主要是获取线程池的生命周期状态并判断是否直接返回false;
内层循环主要是cas来设置线程数，因为要+1嘛。如果cas成功，跳出retry执行后半部分的代码；如果cas失败，则判断下线程池的状态是否发生过变化，没变就继续内层循环cas，变化了就去外层循环判断线程池状态是否应该退出。

后半部分

 boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            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();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;

这部分就是在线程数加完1后，做的后续操作。封装Worker，启动线程。注意这部分为了保证多线程下的正确性，使用了reentrantLock进行同步。有一点要说一下，按理来说workerCount+1的操作和创建worker并加入workerSet理论上应该做成原子性的过程，但这里是分开的。但是，这里通过finally中的addWorkerFailed方法进行回滚，保证了在后半部分产生异常时的正确性。
另外我想这里这么搞，主要是为了减小锁的粒度，尽可能多的把不需要放在同步块里的代码剥离出来，提高性能。毕竟jdk并不仅仅为了能用或者正确就行。