ThreadPoolExecutor 原理

来源 ：【java并发】juc Executor框架详解 Java线程池架构原理和源码解析(ThreadPoolExecutor)

           

1. Executor整体架构：

 

 

Executor 接口定义了最基本的 execute 方法，用于接收用户提交任务。

ExecutorService 定义了线程池终止和创建及提交 futureTask 任务支持的方法。
AbstractExecutorService 是抽象类，主要实现了 ExecutorService 和 futureTask 相关的一些任务创建和提交的方法。
ThreadPoolExecutor 是最核心的一个类，是线程池的内部实现。线程池的功能都在这里实现了，平时用的最多的基本就是这个了。其源码很精练，远没当时想象的多。
ScheduledThreadPoolExecutor 在 ThreadPoolExecutor 的基础上提供了支持定时调度的功能。线程任务可以在一定延时时间后才被触发执行。

  2. ThreadPoolExecutor 原理 ：

    2.1 ThreadPoolExecutor内部的几个重要属性

   新版的JDk中还有一个重要的原子变量 ， ctl ,

   1.  线程池本身的状态 // 不是单个线程

volatile int runState;   
static final int RUNNING = 0;   
static final int SHUTDOWN = 1;   
static final int STOP = 2;   
static final int TERMINATED = 3; 

 2. 等待任务队列和工作集

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //等待被执行的Runnable任务   
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); //正在被执行的Worker任务集

  3. 线程的存活时间和大小

  

private volatile long keepAliveTime;// 线程存活时间   
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;// 是否允许核心线程存活 如果==false,核心线程即使idle也会keep alive   
private volatile int corePoolSize;// 核心池大小   
private volatile int maximumPoolSize; // 最大池大小   
private volatile int poolSize; //当前池大小   
private int largestPoolSize; //最大池大小，区别于maximumPoolSize，是用于记录线程池曾经达到过的最大并发,理论上小于等于maximumPoolSize。   

 

 

 poolSize  corePoolSize maximumPoolSize keepAliveTime分别表示什么？

   poolSize : 当前工作的线程

   corePoolSize : 维护的最少工作线程

   MaximunPoolSize : 最多允许工作的线程

  keepAliveTime - 当线程数大于核心时，此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间。

  // Timeout in nanoseconds for idle threads waiting for work.
     * Threads use this timeout when there are more than corePoolSize
     * present or if allowCoreThreadTimeOut. Otherwise they wait
     * forever for new work.

 

4. 线程工厂和拒绝策略  

private volatile RejectedExecutionHandler handler;// 拒绝策略，用于当线程池无法承载新线程是的处理策略。  
 private volatile ThreadFactory threadFactory;// 线程工厂，用于在线程池需要新创建线程的时候创建线程 

5. 线程池完成任务数

private long completedTaskCount;//线程池运行到当前完成的任务数总和 

 

 2.2 ThreadPoolExecutor 的内部工作原理

    有了以上定义好的数据，下面来看看内部是如何实现的 。 Doug Lea 的整个思路总结起来就是 5 句话：

1. 如果当前池大小 poolSize 小于 corePoolSize ，则创建新线程执行任务。
2. 如果当前池大小 poolSize 大于 corePoolSize ，且等待队列未满，则进入等待队列
3. 如果当前池大小 poolSize 大于 corePoolSize 且小于 maximumPoolSize ，且等待队列已满，则创建新线程执行任务。
4. 如果当前池大小 poolSize 大于 corePoolSize 且大于 maximumPoolSize ，且等待队列已满，则调用拒绝策略来处理该任务。
5. 线程池里的每个线程执行完任务后不会立刻退出，而是会去检查下等待队列里是否还有线程任务需要执行，如果在 keepAliveTime 里等不到新的任务了，那么线程就会退出。

 

最核心的execute() 方法 ：

 

public void execute(Runnable command) {  
    if (command == null)  
        throw new NullPointerException();  
    if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {  // 如果小于 corePool 就会创建线程 并运行
        if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {  // 如果大于corePool ,并且线程池是运行的，试图添加到等待队列
            if (runState != RUNNING || poolSize == 0)  
                ensureQueuedTaskHandled(command);  
        }  
        else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command)) // reject处理 多种策略 可指定 默认AbortPolicy
            reject(command); // is shutdown or saturated  
    }  
}  

 

这段代码看似简单，其实有点难懂，很多人也是这里没看懂，没事，我一个if一个if说：

首先第一个判定空操作就不用说了，下面判定的poolSize >= corePoolSize成立时候会进入if的区域，当然它不成立也有可能会进入，他会判定addIfUnderCorePoolSize是否返回false，如果返回false就会进去；

我们先来看下addIfUnderCorePoolSize方法的源码是什么：

源码段3：

 

private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {  
    Thread t = null;  
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
    mainLock.lock();  
    try {  
        if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)  
            t = addThread(firstTask);  
    } finally {  
        mainLock.unlock();  
    }  
    if (t == null)  
        return false;  
    t.start(); // 注意此处的start() , 这就是线程池中的线程运行的起点  
    return true;  
}  

 

可以发现，这段源码是如果发现小雨corePoolSize就会创建一个新的线程，并且调用线程的start()方法将线程运行起来:这个addThread()方法，我们先不考虑细节，因为我们还要先看到前面是怎么进去的，这里可以发信啊，只有没有创建成功Thread才会返回false，也就是当当前的poolSize > corePoolSize的时候，或线程池已经不是在running状态的时候才会出现；

注意：这里在外部判定一次poolSize和corePoolSize只是初步判定，内部是加锁后判定的，以得到更为准确的结果，而外部初步判定如果是大于了，就没有必要进入这段有锁的代码了。

此时我们知道了，当前线程数量大于corePoolSize的时候，就会进入【代码段2】的第一个if语句中，回到【源码段2】，继续看if语句中的内容:

这里标记为

源码段4：

if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {  
    if (runState != RUNNING || poolSize == 0)  
        ensureQueuedTaskHandled(command);  
}  
else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))  
    reject(command); // is shutdown or saturated  

 

第一个if，也就是当当前状态为running的时候，就会去执行workQueue.offer(command)，这个workQueue其实就是一个BlockingQueue，offer()操作就是在队列的尾部写入一个对象，此时写入的对象为线程的对象而已；所以你可以认为只有线程池在RUNNING状态，才会在队列尾部插入数据，否则就执行else if，其实else if可以看出是要做一个是否大于MaximumPoolSize的判定，如果大于这个值，就会做reject的操作，关于reject的说明，我们在【源码段1】的解释中已经非常明确的说明，这里可以简单看下源码，以应征结果：

源码段5：

 private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {  
        Thread t = null;  
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
        mainLock.lock();  
        try {  
            if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)  
                //在corePoolSize = maximumPoolSize下，该代码几乎不可能运行  
                t = addThread(firstTask);   
        } finally {  
            mainLock.unlock();  
        }  
        if (t == null)  
            return false;  
        t.start();  
        return true;  
}  
void reject(Runnable command) {  
        handler.rejectedExecution(command, this);  
    }  

 

也就是如果线程池满了，而且线程池调用了shutdown后，还在调用execute方法时，就会抛出上面说明的异常：RejectedExecutionException

 

再回头来看下【代码段4】中进入到等待队列后的操作：

if (runState != RUNNING || poolSize == 0)

                   ensureQueuedTaskHandled(command);

这段代码是要在线程池运行状态不是RUNNING或poolSize == 0才会调用，他是干啥呢？

他为什么会不等于RUNNING呢？外面那一层不是判定了他== RUNNING了么，其实有时间差就是了，如果是poolSize == 0也会执行这段代码，但是里面的判定条件是如果不是RUNNING，就做reject操作，在第一个线程进去的时候，会将第一个线程直接启动起来；很多人也是看这段代码很绕，因为不断的循环判定类似的判定条件，你主要记住他们之间有时间差，要取最新的就好了。

 

此时貌似代码看完了？咦，此时有问题了：// 前面我们看到的时，只是new 出了一个新的线程，并没有调用他的start（）方法！

1、  等待中的线程在后来是如何跑起来的呢？线程池是不是有类似Timer一样的守护进程不断扫描线程队列和等待队列？还是利用某种锁机制，实现类似wait和notify实现的？

2、  线程池的运行队列和等待队列是如何管理的呢？这里还没看出影子呢！

 

 

NO，NO，NO！

 

Java在实现这部分的时候，使用了怪异的手段，神马手段呢，还要再看一部分代码才晓得。

在前面【源码段3】中，我们看到了一个方法叫：addThread()，也许很少有人会想到关键在这里，其实关键就是在这里：

我们看看addThread()方法到底做了什么。

源码段6：

private Thread addThread(Runnable firstTask) {  
    Worker w = new Worker(firstTask);  
    Thread t = threadFactory.newThread(w);  
    if (t != null) {  
        w.thread = t;  
        workers.add(w);  
        int nt = ++poolSize;  
        if (nt > largestPoolSize)  
            largestPoolSize = nt;  
    }  
    return t;  
}  

   Work : // 新版的Work , 可能更下面的代码有些出入！！！！！！

 

 private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer // 实现了AQS 
        implements Runnable
    {
        /**
         * This class will never be serialized, but we provide a
         * serialVersionUID to suppress a javac warning.
         */
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

        /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
        final Thread thread;
        /** Initial task to run.  Possibly null. */
        Runnable firstTask;
        /** Per-thread task counter */
        volatile long completedTasks;

        /**
         * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
         * @param firstTask the first task (null if none)
         */
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

        /** Delegates main run loop to outer runWorker  */
        public void run() { // 这个是我的jdk中的源代码，下面的run()方法，是从别的网页粘贴过来的，应当以前版本的，不过差别不大，只是新的版本中，把
            runWorker(this); // while循环部分都放入了runWorker()中
        }

        // Lock methods
        //
        // The value 0 represents the unlocked state.
        // The value 1 represents the locked state.

        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }

        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        protected boolean tryRelease(int unused) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
// 注意 ， 在他内部自己实现了独占锁
        public void lock()        { acquire(1); }
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        public void unlock()      { release(1); }
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }

        void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }
    }

 

  这里创建了一个Work，其余的操作，就是讲poolSize叠加，然后将将其放入workers的运行队列等操作；

我们主要关心Worker是干什么的，因为这个threadFactory对我们用途不大，只是做了Thread的命名处理；而Worker你会发现它的定义也是一个Runnable，外部开始在代码段中发现了调用哪个这个Worker的start()方法，也就是线程的启动方法，其实也就是调用了Worker的run()方法，那么我们重点要关心run方法是如何处理的

源码段7：

public void run() {  
     try {  
         Runnable task = firstTask;  
         firstTask = null;  
         while (task != null || (task = getTask()) != null) {  
             runTask(task);  
             task = null;  
         }  
     } finally {  
         workerDone(this);  
     }  
 }  

 

FirstTask其实就是开始在创建work的时候，由外部传入的Runnable对象，也就是你自己的Thread，你会发现它如果发现task为空，就会调用getTask()方法再判定，直到两者为空，并且是一个while循环体。

那么看看getTask()方法的实现为：

源码段8：

Runnable getTask() {  
   for (;;) {  
       try {  
           int state = runState;  
           if (state > SHUTDOWN)  
               return null;  
           Runnable r;  
           if (state == SHUTDOWN)  // Help drain queue  
               r = workQueue.poll();  
           else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)  
               r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);  
           else  
               r = workQueue.take();  
           if (r != null)  
               return r;  
           if (workerCanExit()) {  
               if (runState >= SHUTDOWN) // Wake up others  
                   interruptIdleWorkers();  
               return null;  
           }  
           // Else retry  
       } catch (InterruptedException ie) {  
           // On interruption, re-check runState  
       }  
   }  

 

你会发现它是从workQueue队列中，也就是等待队列中获取一个元素出来并返回！

回过头来根据代码段6理解下：

当前线程运行完后，在到workQueue中去获取一个task出来，继续运行，这样就保证了线程池中有一定的线程一直在运行；此时若跳出了while循环，只有workQueue队列为空才会出现或出现了类似于shutdown的操作，自然运行队列会减少1，当再有新的线程进来的时候，就又开始向worker里面放数据了，这样以此类推，实现了线程池的功能。

这里可以看下run方法的finally中调用的workerDone方法为：

源码段9：

void workerDone(Worker w) {  
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;  
    mainLock.lock();  
    try {  
        completedTaskCount += w.completedTasks;  
        workers.remove(w);  
        if (--poolSize == 0)  
            tryTerminate();  
    } finally {  
        mainLock.unlock();  
    }  
}  

 

注意这里将workers.remove(w)掉，并且调用了—poolSize来做操作。

 

至于tryTerminate是做了更多关于回收方面的操作。

 

最后我们还要看一段代码就是在【源码段6】中出现的代码调用为：runTask(task);这个方法也是运行的关键。

源码段10：

private void runTask(Runnable task) {
       final ReentrantLock runLock = this.runLock;
       runLock.lock();
       try {
           if (runState < STOP &&
               Thread.interrupted() &&
               runState >= STOP)
               thread.interrupt();

           boolean ran = false;
           beforeExecute(thread, task);
           try {
               task.run();  // run()
               ran = true;
               afterExecute(task, null);
               ++completedTasks;
           } catch (RuntimeException ex) {
               if (!ran)
                   afterExecute(task, ex);
               throw ex;
           }
       } finally {
           runLock.unlock();
       }
   }

你可以看到，这里面的task为传入的task信息，调用的不是start方法，而是run方法，因为run方法直接调用不会启动新的线程，也是因为这样，导致了你无法获取到你自己的线程的状态，因为线程池是直接调用的run方法，而不是start方法来运行。

这里有个beforeExecute和afterExecute方法，分别代表在执行前和执行后，你可以做一段操作，在这个类中，这两个方法都是【空body】的，因为普通线程池无需做更多的操作。

 

如果你要实现类似暂停等待通知的或其他的操作，可以自己extends后进行重写构造；

 

 

如何实现线程复用？

Doug Lea 的实现思路是 线程池里的每个线程执行完任务后不立刻退出，而是去检查下等待队列里是否还有线程任务需要执行，如果在 keepAliveTime 里等不到新的任务了，那么线程就会退出。这个功能的实现 关键在于Worker 。线程池在执行 Runnable 任务的时候，并不单纯把 Runnable 任务交给创建一个 Thread 。而是会把Runnable 任务封装成 Worker 任务。

下面看看 Worker 的实现：

 代码很简单，可以看出， worker 里面包装了 firstTask 属性，在构造worker 的时候传进来的那个 Runnable 任务就是 firstTask 。 同时也实现了Runnable接口，所以是个代理模式，看看代理增加了哪些功能。 关键看 woker 的 run方法：

  

public void run() {  
           try {  
               Runnable task = firstTask;  
               firstTask = null;  
               while (task != null || (task = getTask()) != null) {  
                   runTask(task);  
                   task = null;  
               }  
           } finally {  
               workerDone(this);  
           }  
       }  

 可以看出 worker 的 run 方法是一个循环，第一次循环运行的必然是 firstTask ，在运行完 firstTask 之后，并不会立刻结束，而是会调用 getTask 获取新的任务（ getTask 会从等待队列里获取等待中的任务），如果keepAliveTime 时间内得到新任务则继续执行，得不到新任务则那么线程才会退出。这样就保证了多个任务可以复用一个线程，而不是每次都创建新任务。 keepAliveTime 的逻辑在哪里实现的呢？主要是利用了 BlockingQueue的 poll 方法支持等待。可看 getTask 的代码段：

 

 

  

if (state == SHUTDOWN)  // Help drain queue  
    r = workQueue.poll();  
else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)  
    r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS); //等候特定的时间再移除 
else  
    r = workQueue.take();  

 

 3. 线程池的使用策略：

  

1. newSingleThreadExecutor

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

2. newFixedThreadPool

创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

3. newCachedThreadPool

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，

那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。

4. newScheduledThreadPool

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。