Java线程池实现原理详解

原理概述

其实java线程池的实现原理很简单，说白了就是一个线程集合workerSet和一个阻塞队列workQueue。当用户向线程池提交一个任务(也就是线程)时，线程池会先将任务放入workQueue中。workerSet中的线程会不断的从workQueue中获取线程然后执行。当workQueue中没有任务的时候，worker就会阻塞，直到队列中有任务了就取出来继续执行。

线程池的几个主要参数的作用

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) 

1. corePoolSize: 规定线程池有几个线程(worker)在运行。
2. maximumPoolSize: 当workQueue满了,不能添加任务的时候，这个参数才会生效。规定线程池最多只能有多少个线程(worker)在执行。
3. keepAliveTime: 超出corePoolSize大小的那些线程的生存时间,这些线程如果长时间没有执行任务并且超过了keepAliveTime设定的时间，就会消亡。
4. unit: 生存时间对于的单位
5. workQueue: 存放任务的队列
6. threadFactory: 创建线程的工厂
7. handler: 当workQueue已经满了，并且线程池线程数已经达到maximumPoolSize，将执行拒绝策略。

任务提交后的流程分析

用户通过submit提交一个任务。线程池会执行如下流程:

1. 判断当前运行的worker数量是否超过corePoolSize,如果不超过corePoolSize。就创建一个worker直接执行该任务。—— 线程池最开始是没有worker在运行的
2. 如果正在运行的worker数量超过或者等于corePoolSize,那么就将该任务加入到workQueue队列中去。
3. 如果workQueue队列满了,也就是offer方法返回false的话，就检查当前运行的worker数量是否小于maximumPoolSize,如果小于就创建一个worker直接执行该任务。
4. 如果当前运行的worker数量是否大于等于maximumPoolSize，那么就执行RejectedExecutionHandler来拒绝这个任务的提交。

源码解析

我们先来看一下ThreadPoolExecutor中的几个关键属性。

//这个属性是用来存放 当前运行的worker数量以及线程池状态的 //int是32位的，这里把int的高3位拿来充当线程池状态的标志位,后29位拿来充当当前运行worker的数量 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); //存放任务的阻塞队列 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //worker的集合,用set来存放 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //历史达到的worker数最大值 private int largestPoolSize; //当队列满了并且worker的数量达到maxSize的时候,执行具体的拒绝策略 private volatile RejectedExecutionHandler handler; //超出coreSize的worker的生存时间 private volatile long keepAliveTime; //常驻worker的数量 private volatile int corePoolSize; //最大worker的数量,一般当workQueue满了才会用到这个参数 private volatile int maximumPoolSize; 

1. 提交任务相关源码

下面是execute方法的源码

public void execute(Runnable command) { 
    if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); //workerCountOf(c)会获取当前正在运行的worker数量 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
    //如果workerCount小于corePoolSize,就创建一个worker然后直接执行该任务 if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } //isRunning(c)是判断线程池是否在运行中,如果线程池被关闭了就不会再接受任务 //后面将任务加入到队列中 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
    //如果添加到队列成功了,会再检查一次线程池的状态 int recheck = ctl.get(); //如果线程池关闭了,就将刚才添加的任务从队列中移除 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //执行拒绝策略 reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } //如果加入队列失败,就尝试直接创建worker来执行任务 else if (!addWorker(command, false)) //如果创建worker失败,就执行拒绝策略 reject(command); } 

添加worker的方法addWorker源码

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
    retry: //使用自旋+cas失败重试来保证线程竞争问题 for (;;) { 
    //先获取线程池的状态 int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // 如果线程池是关闭的,或者workQueue队列非空,就直接返回false,不做任何处理 if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { 
    int wc = workerCountOf(c); //根据入参core 来判断可以创建的worker数量是否达到上限,如果达到上限了就拒绝创建worker if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; //没有的话就尝试修改ctl添加workerCount的值。这里用了cas操作,如果失败了下一个循环会继续重试,直到设置成功 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //如果设置成功了就跳出外层的那个for循环 break retry; //重读一次ctl,判断如果线程池的状态改变了,会再重新循环一次 c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; } } boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { 
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; //创建一个worker,将提交上来的任务直接交给worker w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { 
    //加锁,防止竞争 mainLock.lock(); try { 
    int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); //还是判断线程池的状态 if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
    //如果worker的线程已经启动了,会抛出异常 if (t.isAlive()) throw new IllegalThreadStateException(); //添加新建的worker到线程池中 workers.add(w); int s = workers.size(); //更新历史worker数量的最大值 if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; //设置新增标志位 workerAdded = true; } } finally { 
    mainLock.unlock(); } //如果worker是新增的,就启动该线程 if (workerAdded) { 
    t.start(); //成功启动了线程,设置对应的标志位 workerStarted = true; } } } finally { 
    //如果启动失败了,会触发执行相应的方法 if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; } 

2. Worker的结构

Worker是ThreadPoolExecutor内部定义的一个内部类。我们先看一下Worker的继承关系

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable 

它实现了Runnable接口,所以可以拿来当线程用。同时它还继承了AbstractQueuedSynchronizer同步器类,主要用来实现一个不可重入的锁。

一些属性还有构造方法:

//运行的线程,前面addWorker方法中就是直接通过启动这个线程来启动这个worker final Thread thread; //当一个worker刚创建的时候,就先尝试执行这个任务 Runnable firstTask; //记录完成任务的数量 volatile long completedTasks; Worker(Runnable firstTask) { 
    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; //创建一个Thread,将自己设置给他,后面这个thread启动的时候,也就是执行worker的run方法 this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } 

worker的run方法

public void run() { 
    //这里调用了ThreadPoolExecutor的runWorker方法 runWorker(this); } 

ThreadPoolExecutor的runWorker方法

final void runWorker(Worker w) { 
    //获取当前线程 Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; //执行unlock方法,允许其他线程来中断自己 w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { 
    //如果前面的firstTask有值,就直接执行这个任务 //如果没有具体的任务,就执行getTask()方法从队列中获取任务 //这里会不断执行循环体,除非线程中断或者getTask()返回null才会跳出这个循环 while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
    //执行任务前先锁住,这里主要的作用就是给shutdown方法判断worker是否在执行中的 //shutdown方法里面会尝试给这个线程加锁,如果这个线程在执行,就不会中断它 w.lock(); //判断线程池状态,如果线程池被强制关闭了,就马上退出 if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { 
    //执行任务前调用。预留的方法,可扩展 beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { 
    //真正的执行任务 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 { 
    //执行任务后调用。预留的方法,可扩展 afterExecute(task, thrown); } } finally { 
    task = null; //记录完成的任务数量 w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { 
    processWorkerExit(w, completedAbruptly); } } 

下面来看一下getTask()方法，这里面涉及到keepAliveTime的使用，从这个方法我们可以看出先吃池是怎么让超过corePoolSize的那部分worker销毁的。

private Runnable getTask() { 
    boolean timedOut = false; for (;;) { 
    int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // 如果线程池已经关闭了,就直接返回null, //如果这里返回null,调用的那个worker就会跳出while循环,然后执行完销毁线程 //SHUTDOWN状态表示执行了shutdown()方法 //STOP表示执行了shutdownNow()方法 if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { 
    decrementWorkerCount(); return null; } //获取当前正在运行中的worker数量 int wc = workerCountOf(c); // 如果设置了核心worker也会超时或者当前正在运行的worker数量超过了corePoolSize,就要根据时间判断是否要销毁线程了 //其实就是从队列获取任务的时候要不要设置超时间时间,如果超过这个时间队列还没有任务进来,就会返回null boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; //如果上一次循环从队列获取到的未null,这时候timedOut就会为true了 if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
    //通过cas来设置WorkerCount,如果多个线程竞争,只有一个可以设置成功 //最后如果没设置成功,就进入下一次循环,说不定下一次worker的数量就没有超过corePoolSize了,也就不用销毁worker了 if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { 
    //如果要设置超时时间,就设置一下咯 //过了这个keepAliveTime时间还没有任务进队列就会返回null,那worker就会销毁 Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; //如果r为null,就设置timedOut为true timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { 
    timedOut = false; } } } 

3. 添加Callable任务的实现源码

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask; } 

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { 
    int s = state; //判断状态,如果任务还没执行完,就进入休眠,等待唤醒 if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); //返回值 return report(s); } 

FutureTask中通过一个state状态来判断任务是否完成。当run方法执行完后,会将state状态置为完成，同时唤醒所有正在等待的线程。我们可以看一下FutureTask的run方法

public void run() { 
    //判断线程的状态 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { 
    Callable<V> c = callable; if (c != null && state == NEW) { 
    V result; boolean ran; try { 
    //执行call方法 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { 
    result = null; ran = false; setException(ex); } if (ran) //这个方法里面会设置返回内容,并且唤醒所以等待中的线程 set(result); } } finally { 
    runner = null; int s = state; if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); } } 

4. shutdown和shutdownNow方法的实现

shutdown方法会将线程池的状态设置为SHUTDOWN,线程池进入这个状态后,就拒绝再接受任务,然后会将剩余的任务全部执行完

public void shutdown() { 
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { 
    //检查是否可以关闭线程 checkShutdownAccess(); //设置线程池状态 advanceRunState(SHUTDOWN); //尝试中断worker interruptIdleWorkers(); //预留方法,留给子类实现 onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor } finally { 
    mainLock.unlock(); } tryTerminate(); } private void interruptIdleWorkers() { 
    interruptIdleWorkers(false); } private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) { 
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { 
    //遍历所有的worker for (Worker w : workers) { 
    Thread t = w.thread; //先尝试调用w.tryLock(),如果获取到锁,就说明worker是空闲的,就可以直接中断它 //注意的是,worker自己本身实现了AQS同步框架,然后实现的类似锁的功能 //它实现的锁是不可重入的,所以如果worker在执行任务的时候,会先进行加锁,这里tryLock()就会返回false if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) { 
    try { 
    t.interrupt(); } catch (SecurityException ignore) { 
    } finally { 
    w.unlock(); } } if (onlyOne) break; } } finally { 
    mainLock.unlock(); } } 

shutdownNow做的比较绝，它先将线程池状态设置为STOP，然后拒绝所有提交的任务。最后中断左右正在运行中的worker,然后清空任务队列。

public List<Runnable> shutdownNow() { 
    List<Runnable> tasks; final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { 
    checkShutdownAccess(); //检测权限 advanceRunState(STOP); //中断所有的worker interruptWorkers(); //清空任务队列 tasks = drainQueue(); } finally { 
    mainLock.unlock(); } tryTerminate(); return tasks; } private void interruptWorkers() { 
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { 
    //遍历所有worker，然后调用中断方法 for (Worker w : workers) w.interruptIfStarted(); } finally { 
    mainLock.unlock(); } } 

总结

java线程池的实现原理还是挺简单的。但是有一些细节还是需要去看源码才能得出答案。本文也没办法把所有的源码都讲解一遍，只列了比较重要的一些源码。有兴趣的同学可以自己打开源码好好看一下，肯定会对实现原理了解的更加深刻。

最后,如果本文有哪里说的不对或者遗漏的地方，也烦请指出，感激不尽。