线程池ThreadPoolExecutor中ctl是什么？

线程池在java编程语言中的重要性就不言而喻了，对于线程池底层的实现可能大家的研究就没有那么深入了，下面针对线程池ThreadPoolExecutor中的最重要的一个成员变量ctl，来做一个介绍！

ThreadPoolExecutor中ctl介绍

先看一下注释，原文如下

/**
 * 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
 */

简单翻译一下，就是 ctl是一个线程安全的int变量，用于存储了两个概念的字段，第一个是当前线程池中的工作线程数，另外一个是当前线程池的状态。

线程池的5种状态

*   RUNNING:  Accept new tasks and process queued tasks
接受新任务并处理队列中的任务


*   SHUTDOWN: Don't accept new tasks, but process queued tasks
不接受新任务，但处理队列中的任务


*   STOP:     Don't accept new tasks, don't process queued tasks,
*             and interrupt in-progress tasks

不接受新任务，不处理队列中的任务，并中断正在进行的任务


*   TIDYING:  All tasks have terminated, workerCount is zero,
*             the thread transitioning to state TIDYING
*             will run the terminated() hook method

所有任务都已终止，workerCount为零，过渡到TIDYING状态的线程将运行terminated()钩子方法


*   TERMINATED: terminated() has completed

terminated()已完成

那么问题来了，用一个int变量怎么同时表示两个业务含义的数据呢？

为什么要这么设计？

先看下线程池中五个状态位是怎么定义的吧

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

    // 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;

因为线程池作为一个稳定的常用工具，其状态不会频繁的变动，5种状态已经能完成其生命周期内的所有工作了，想一想，5种状态可以用多少位二进制表示？很显然大于5的最小的2的整数次幂是8，即用3位bit就能表示线程的状态了。

int在java中是占用4个字节，一个字节8bit，也就是一个int占用32bit，已经可以用3位bit来表示，那么剩下的29bit就是用来表示工作线程数了，那么，是怎么做到的呢？

常量分析

• COUNT_BITS

这个毫无疑问是29了，因为int是占用32个二进制位，32-3就是29了

• CAPACITY

这里用到了<<左移运算，将1向左移动29位，可以想象下，得到的结果是不是这样

1000....000  【1后面跟着29个0】，对应的数值就是2的29次幂

然后，对结果减一，是不是得到的结果就是

111.....1111【29个1】

因为int是32位bit，补齐就是

000 1111.....11111 【29个1】

对应的大小是2的29次幂，说明在线程池中，最大能创建的线程的个数是2的29次幂，而并非是int的最大值。

• RUNNING

这里补充一点知识，在计算机中数字存储的是其对应的补码，那么补码是怎么计算得出的呢？

先计算出原码，然后根据原码计算出反码，最后再根据反码得出补码，之所以计算机中要使用补码是因为如下两个原因

1.方便加减运算

2.使用补码，只有一个0，如果使用原码，将会有+0和-0，将会给计算带来复杂性

正数的原码，反码，补码一样

负数的原码，首位是1表示符号位,反码是保留原码的符号位，剩下的位取反操作，得到的结果就是反码，然后将反码+1就得到了补码

可以看到-1的补码就是32个1，然后左移29位，得到的结果就是，结果肯定是一个负数

111000...000【29个0】

• SHUTDOWN

毫无疑问，对应的shutdowm的二进制是

000000....000【32个0】

• STOP

这个也很简单，对应的二进制是

001 000....000【连续29个0】

• TIDYING

这个也很简单，对应的二进制是

010 000....000【连续30个0】

• TERMANATED

这个也很简单，对应的二进制是

011 000....000【连续29个0】

线程池状态判断

从这里可以看到，这个设计的目的就是用int的高三位来表示线程池的状态为，那么怎么根据一个int数值来判断当前线程池的状态呢？

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

 解释下，

CAPACITY的补码是000 1111.....11111 【29个1】

先对~CAPACITY取反，很显然得到的结果是

111 000...000【29个0】

& c

结果就很明了，因为CAPACITY取反后低29位都是0，只比较高三位，高三位和线程池中哪一个状态位相同，即当前线程池的状态

工作线程数计算

这个也是通过位运算来实现的，看下代码

private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

解释下

直接用CAPACITY的补码

000 1111.....11111 【29个1】

& c

结果就很明了，因为CAPACITY的高3位是0，&运算有效的就是低29位，而低29位就是当前线程池中的工作线程数了

工作线程数和线程池状态怎么关联起来？ 

既然，一个int同时表示了两个业余含义，恳请需要有一个关联的方法，比如，当前线程池的状态是RUNNING,并且工作线程数是3个，怎么表示呢？

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

解释下

|运算，你可以理解为10进制中的加法运算

比如上面的例子中就可以将

rs【线程池的状态RUNNING】111000...000【29个0】

|

wc【工作线程数3】000....0011【连续30个0】

得到的结果就是

111000....011【中间连续27个0】

至此，ctl的设计已经清晰明了了，通过使用一个int就能同时表示两个业务变量，不得不对Doug Lea老爷子表示敬意！ 

总结

通过上面案例的分析，想必大家对线程池中的ctl设计已经有所了解了。

不过，在实际的业务开发中，我们还是要尽量避免这种写法，因为这样操作可能减少了变量，但是却增加了业务代码的复杂度，我们要好好思量下，一定要做好权衡！

如果你是中间件、通用组件开发，对时间复杂度和空间复杂度有相当高的要求，那自然另当别论了，另外，这种用二进制位存储的思想，还可以用来表示一个业务同时存在的属性，详情参考利用位运算实现一个字段表示多个属性-CSDN博客