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概述
在 java 中，线程池 ThreadPoolExecutor 是一个绕不过去的类，它是享元模式思想的体现，通过在容器中创建一定数量的线程加以重复利用，从而避免频繁创建线程带来的额外开销。一个设置合理的线程池可以提高任务响应的速度，并且避免线程数超过硬件能力带来的意外情况。
在本文，将深入线程池源码，了解线程池的底层实现与运行机制。
一、构造方法
ThreadPoolExecutor 类一共提供了四个构造方法，我们基于参数最完整构造方法了解一下线程池创建所需要的变量：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数
int maximumPoolSize, // 最大线程数
long keepAliveTime, // 非核心线程闲置存活时间
TimeUnit unit, // 时间单位
BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 工作队列
ThreadFactory threadFactory, // 创建线程使用的线程工厂
RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略) {
}
- 核心线程数：即长期存在的线程数，当线程池中运行线程未达到核心线程数时会优先创建新线程；
- 最大线程数：当核心线程已满，工作队列已满，同时线程池中线程总数未超过最大线程数，会创建非核心线程；
- 非核心线程闲置存活时间：当非核心线程闲置的时的最大存活时间；
- 时间单位：非核心线程闲置存活时间的时间单位；
- 任务队列：当核心线程满后，任务会优先加入工作队列，等等待核心线程消费；
- 线程工厂：线程池创建新线程时使用的线程工厂；
- 拒绝策略：当工作队列与线程池都满时，用于执行的策略；
二、线程池状态
1.线程池状态
线程池拥有一个 AtomicInteger 类型的成员变量 ctl ，通过位运算分别使用 ctl 的高位低位以便在一个值中存储线程数量以及线程池状态。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29（32-3）
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 允许的最大工作线程（2^29-1 约5亿）
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 运行状态。线程池接受并处理新任务
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 关闭状态。线程池不能接受新任务，处理完剩余任务后关闭。调用shutdown()方法会进入该状态。
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 停止状态。线程池不能接受新任务，并且尝试中断旧任务。调用shutdownNow()方法会进入该状态。
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 整理状态。由关闭状态转变，线程池任务队列为空时进入该状态，会调用terminated()方法。
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 终止状态。terminated()方法执行完毕后进入该状态，线程池彻底停止。
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
2.线程状态的计算
这里比较不好理解的是上述-1的位运算，下面我们来分析一下：
在计算机中，二进制负数一般用补码表示，即源码取反再加一。但又有这种说法，即将最高位作为符号位，0为正数，1为负数。实际上两者是可以结合在一起看的。假如数字是单字节数，1 字节对应8 bit，即八位，现在，我们要计算 – 1。
按照第二种说法，最高位为符号位，则有 1/000 0001，然后按第一种说法取反后+1，并且符号位不变，则有 1/111 1110 + 1，即 1/111 1111。
现在回到 -1 << COUNT_BITS这行代码：
一个 int 是 4 个字节，对应 32 bit，按上述过程 -1 转为二进制即为 1/111……1111（32个1）， COUNT_BITS是 29，-1 左移 29 位，最终得到 111.0…0000。
同理，计算其他的几种状态，可知分别是：
| 状态 | 二进制 |
|---|---|
| RUNNING | 111…0….00 |
| SHUTDOWN | 000…0….00 |
| STOP | 001…0….00 |
| TIDYING | 010…0….00 |
| TERMINATED | 011…0….00 |
其中，我们可以知道 SHUTDOWN 状态转为十进制也是 0 ，而 RUNNING 作为有符号数，它的最高位是 1，说明转为十进制以后是个负数，其他的状态最高位都是 0，转为十进制之后都是正数，也就是说，我们可以这么认为：
小于 SHUTDOWN 的就是 RUNNING，大于 SHUTDOWN 就是停止或者停止中。
这也是后面状态计算的一些写法的基础。比如 isRunning()方法：
private static boolean isRunning(int c) {
return c < SHUTDOWN;
}
3.线程状态与工作线程数的获取
// 根据当前运行状态和工作线程数获取当前的 ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
// 获取运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 获取工作线程数
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
前面获取状态的时候调用了 ctlOf()方法，根据前面，我们可以知道，CAPACITY实际上是 29 位，而线程状态用的是 32 – 30 共 3 位，也就是说，ctl 共 32 位，高3 位用于表示线程池状态，而低 29 位表示工作线程的数量。
这样上述三个方法就很好理解了：
-
ctlOf()：获取 ctl。将工作线程数量与运行状态进行于运算，假如我们处于 RUNNING，并且有 1 个工作线程，那么 ctl = 111….000 | 000…. 001，最终得到 111 ….. 001；
-
runStateOf()：获取运行状态。继续根据上文的数据，
~CAPACITY取反即为 111….000，与运行状态 111…0000 与运算，最终得到 111….000，相当于低位掩码，消去低 29 位； -
workerCountOf()：获取工作线程数。同理，
c & CAPACITY里的 CAPACITY 相当于高位掩码，用于消去高 3 位，最终得到 00…001，即工作线程数。
同理，如果要增加工作线程数，就直接通过 CAS 去递增 ctl，比如新建线程中使用的公共方法：
private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
// 通过 CAS 递增 ctl
return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}
要改变线程池状态，就根据当前工作线程和要改变的状态去合成新的 ctl，然后 CAS 改变 ctl，比如 shutdown()中涉及的相关代码：
private void advanceRunState(int targetState) {
for (;;) {
int c = ctl.get();
if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
// 通过 CAS 改变 ctl
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
break;
}
}
三、任务的创建与执行
线程池任务提交方法是 execute()，根据代码可知，当一个任务进来时，分四种情况：
- 当前工作线程数小于核心线程数，启动新线程；
- 当前工作线程数大于核心线程数，但是未大于最大线程数，尝试添加到工作队列；
- 当前线程池核心线程和队列都满了，尝试创建新非核心线程。
- 非核心线程创建失败，说明线程池彻底满了，执行拒绝策略。
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 1.当前工作线程数小于核心线程数，启动新线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2. 当前工作线程数大于核心线程数，但是未大于最大线程数，尝试添加到工作队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 如果当前线程处于非运行态，并且移除当前任务成功，则拒绝任务（防止添加到一半就shutdown）
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果当前没有工作线程了，就启动新线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 3.当前线程池核心线程和队列都满了，尝试创建新非核心线程
else if (!addWorker(command, false))
// 4.线程池彻底满了，执行拒绝策略
reject(command);
}
1.添加任务
添加任务依靠 addWorker()方法，这个方法很长，但是主要就干了两件事：
- CAS 让 ctl 的工作线程数 +1；
- 启动新的线程；
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 1.改变 ctl 使工作线程+1
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果当前不处于运行状态，传入任务为空，并且任务队列为空的时候拒绝添加新任务
// 即线程池 shutdown 时不让添加新任务，但是运行继续跑完任务队列里的任务。
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 线程不允许超过最大线程数，核心线程不允许超过最大核心线程数
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// CAS 递增工作线程数
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
// 失败了就重新回到上面的retry处继续往下执行
break retry;
// 更新 ctl
c = ctl.get();
// 如果运行状态改变了就全部从来
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
}
}
// 2.启动新线程
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) {
// 加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 如果线程池处于运行状态，或者没有新任务的SHUTDOWN状态（即SHUTDOW以后还在消费工作队列里的任务）
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 线程是否在未启动前就已经启动了
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 如果集合中的工作线程数大于最大线程数，则将池中最大线程数改为当前工作线程数
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
// 线程创建完成
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 如果线程成功创建，就启动线程，并且更改启动状态为成功
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 如果线程启动不成功，就执行失败策略
if (! workerStarted)
// 启动失败策略，从当前工作线程队列移除当前启动失败的线程，递减工作线程数，然后尝试关闭线程池（如果当前任务就是线程池最后一个任务）
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
2. 任务对象Worker
根据上文，不难发现，在线程池中线程往往以 Worker 对象的方式存在，那么这个 Worker 又是何方神圣？
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
// 工作线程
final Thread thread;
// 要执行的任务
Runnable firstTask;
// 线程执行过的任务数
volatile long completedTasks;
// 通过线程工厂创建工作线程
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1);
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
// 执行任务
public void run() {
runWorker(this);
}
... ...
}
这个 Worker 类继承了 AQS，也就是说，他本身就相当于一个同步队列，结合他的成员变量 thread 和 firstTask，可以知道他实际上就是我们线程池中所说的“线程”。除了父类 AQS 本身提供的独占锁以外，Worker 还提供了一些检查任务线程运行状态以及中断线程相关的方法。
此外，线程池中还有一个工作队列 workers，用于保存当前全部的 Worker：
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
3.任务的启动
当调用 Worker.run()的时候，其实调用的是 runWorker()方法。
runWorker()方法实际上就是调用线程执行任务的方法，他的逻辑大题是这样的：
- 拿到入参的新 Worker，一直循环获取 Worker 里的任务；
- 加锁然后执行任务；
- 如果执行完任务流程，并且没有发生异常导致 Worker 挂掉，就直接复用 Worker(在获取任务的方法
getTask()中循环等待任务)； - 如果执行完任务流程后发现发生异常导致 Worker 挂掉，就从工作队列中移除当前 Worker，并且补充一个新的；
如果整个流程执行完毕，就删除当前的 Worker。
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // 新创建的Worker默认state为-1，AQS的unlock方法会将其改为0，此后允许使用interruptIfStarted()方法进行中断
// 完成任务以后是否需要移除当前Worker，即当前任务是否意外退出
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 加锁，防止 shundown 时中断正在运行的任务
w.lock();
// 如果线程池状态为 STOP 或更后面的状态，中断线程任务
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 钩子方法，默认空实现，需要自己提供
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 执行任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 钩子方法
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
// 任务执行完毕
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 根据completedAbruptly决定是否要移除意外退出的Worker，并补充新的Worker
// 也就是说，如果上述过程顺利完成，工作线程没有挂掉，就不删除，下次继续用，否则就干掉它再补充一个。
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
4.任务的获取与超时处理
在 runWorker()方法中，通过 getTask()方法去获取任务。值得注意的是，超时处理也在此处，简单的来说，整套流程是这样的：
- 判断线程池是否关闭，工作队列是否为空，如果是说明没任务了，直接返回null，否则接着往下判断；
- 判断当前是否存在非核心线程，如果是说明需要进行超时处理；
- 获取任务，如果不需要超时处理，则直接从任务队列获取任务，否则根据 keepaliveTime 阻塞一段时间后获取任务，如果获取不到，说明非核心线程超时，返回 null 交给
runWorker()中的processWorkerExit()方法去删除；
换句话说，runWorker()方法一旦执行完毕，必然会删除当前的 Worker，而通过 getTask()拿任务的 Worker，在线程池正常运行的状态下，核心线程只会一直在 for 循环中等待直到拿到任务，而非核心线程超时以后拿不到任务就会返回一个 null，然后回到 runWorker()中走完processWorkerExit()方法被删除。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
// 如果线程池关闭了，并且工作队列里的任务都完成了，或者线程池直接进入了 STOP 或更进一步的状态，就不返回新任务
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
// 获取当前工作线程
int wc = workerCountOf(c);
// 核心线程是否超时（默认false）或当前是否存在非核心线程，即判断当前当前是否需要进行超时控制
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 判断线程是否超过最大线程数或存在非核心线程
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
// 并且除非任务队列为空，否则池中最少有一个线程
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 获取任务
Runnable r = timed ?
// 阻塞 keepaliveTime 以获取任务，如果在 keepaliveTime 时间内没有获取到任务，则返回 null.
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
// 如果获取不到任务，说明非核心线程超时了，下一轮判断确认是否退出循环。
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
四、线程池的中断
线程池的中断方法分为三种：
shutdown()：中断线程池，不再添加新任务，同时等待当前进行和队列中的任务完成；shutdownNow()：立即中断线程池，不再添加新任务，同时中断所有工作中的任务，不再处理任务队列中任务。
1.shutdown
shutdown 是有序关闭。主要干了三件事：
- 改变当前线程池状态为 SHUTDOWN；
- 将当前工作队列中的全部线程标记为中断；
- 完成上述过程后将线程池状态改为 TIDYING
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 加锁
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 改变当前线程池状态
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断当前线程
interruptIdleWorkers();
// 钩子函数，默认空实现
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}
其中，interruptIdleWorkers()方法如下：
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// 遍历工作队列中的全部 Worker
for (Worker w : workers) {
Thread t = w.thread;
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
// 标记为中断
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
w.unlock();
}
}
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
2.shutdownNow
shutdownNow() 与 shutdown()流程类似，但是会直接将状态转为 STOP，在 addWorker() 或者getTask()等处理任务的相关方法里，会针对 STOP 或更进一步的状态做区分，将不会再处理任务队列中的任务，配合drainQueue()方法以删除任务队列中的任务。
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 改变当前线程池状态
advanceRunState(STOP);
// 中断当前线程
interruptWorkers();
// 删除任务队列中的任务
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
五、拒绝策略
当任务队列已满，并且线程池中线程也到达最大线程数的时候，就会调用拒绝策略。也就是reject()方法
final void reject(Runnable command) {
handler.rejectedExecution(command, this);
}
拒绝策略共分四种：
- AbortPolicy：拒绝策略，直接抛出异常，默认策略；
- CallerRunsPolicy：调用者运行策略，用调用者所在的线程来执行任务；
- DiscardOldestPolicy：弃老策略，无声无息的丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
- DiscardPolicy：丢弃策略，直接无声无息的丢弃任务；
我们可以简单的了解一下他们的实现：
AbortPolicy
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
CallerRunsPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
DiscardOldestPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
// 弹出队头元素
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
DiscardPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
// Does nothing
}
六、线程池的钩子函数
和 HashMap 与 LinkedHashMap 中的行为有点类似，在线程池的代码中，有些方法调用了一些具有空实现的方法，这些方法是提供给用户去继承并重写的钩子函数，主要包括三个：
beforeExecute()：在执行任务之前回调afterExecute()：在任务执行完后回调terminated()：在线程池中的所有任务执行完毕后回调
通过继承 ThreadPoolExecutor 类，并重写以上三个方法，我们可以进行监控或者输出日志，更方便的了解线程池的状态。
值得一提的是，afterExecute()方法的入参类型是（Runnable r, Throwable t），也就是说，如果线程运行中抛出异常，我们也可以通过该方法去捕获异常并作出相应的处理。
七、总结
线程池提供了四个构造方法，参数最全的构造方法参数按顺序有：核心线程数，最大线程数，非核心线程闲置存活时间，存活时间单位，任务队列，线程工厂，拒绝策略。
线程池共有五种状态，分别是：RUNNING，SHUTDOWN，STOP，TYDYING，TERMINATED，它们与工作线程数量一同记录在成员变量 ctl 中，其中高 3 位用于记录状态，低 29 位用于记录工作线程数，实际使用中通过位运算去获取。
线程池中任务线程以继承了 AQS 的 Worker 类的实例形式存在。当添加任务时，会有四种情况：核心线程不满，优先创建核心线程；核心线程满，优先添加任务队列；核心线程与队列都满，创建非核心线程；线程和队列都满，则执行拒绝策略。
其中，拒绝策略分为四类，默认的拒绝策略 AbortPolicy；调用者运行策略 CallerRunsPolicy；弃老策略 DiscardOldestPolicy；丢弃策略 DiscardPolicy。
线程池的中断有两个方法：shutdown()与 shutdownNow()，两者都会让线程池不再接受新任务，但是 shutdown()会等待当前与任务队列中的任务执行完毕，而 shutdownNow()会直接中断当前任务，忽略并删除任务队列中的任务。
线程池提供了beforeExecute()，afterExecute()，terminated()三个钩子函数，其中，afterExecute()的入参含有抛出的异常，因此可以借由该方法处理线程池中线程抛出的异常。
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