Java 线程池(ThreadPoolExecutor)原理解析

在我们的开发中“池”的概念并不罕见，有数据库连接池、线程池、对象池、常量池等等。下面我们主要针对线程池来一步一步揭开线程池的面纱。

有关java线程技术文章还可以推荐阅读：《关于java多线程wait 和sleep方法》、《java 核心编程——线程之线程的基本概念》、《上海尚学堂：40个Java多线程问题总结》、《java多线程的内存模型》

一、使用线程池的好处

1、降低资源消耗

可以重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

2、提高响应速度

当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。

3、提高线程的可管理性

线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控

二、线程池的工作原理

首先我们看下当一个新的任务提交到线程池之后，线程池是如何处理的

1、线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则执行第二步。

2、线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里进行等待。如果工作队列满了，则执行第三步

3、线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务

三、线程池饱和策略

这里提到了线程池的饱和策略，那我们就简单介绍下有哪些饱和策略：

AbortPolicy

为Java线程池默认的阻塞策略，不执行此任务，而且直接抛出一个运行时异常，切记ThreadPoolExecutor.execute需要try catch，否则程序会直接退出。

DiscardPolicy

直接抛弃，任务不执行，空方法

DiscardOldestPolicy

从队列里面抛弃head的一个任务，并再次execute 此task。

CallerRunsPolicy

在调用execute的线程里面执行此command，会阻塞入口

用户自定义拒绝策略（最常用）

实现RejectedExecutionHandler，并自己定义策略模式

下我们以ThreadPoolExecutor为例展示下线程池的工作流程图

1、如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

2、如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。

3、如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则在非corePool中创建新的线程来处理任务（注意，执行这一步骤需要获取全局锁）。

4、如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁（那将会是一个严重的可伸缩瓶颈）。在ThreadPoolExecutor完成预热之后（当前运行的线程数大于等于corePoolSize），几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

关键方法源码分析

我们看看核心方法添加到线程池方法execute的源码如下：

     //
     //Executes the given task sometime in the future.  The task
     //may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
     //
     // If the task cannot be submitted for execution, either because this
     // executor has been shutdown or because its capacity has been reached,
     // the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.
     //
     // @param command the task to execute
     // @throws RejectedExecutionException at discretion of
     //         {@code RejectedExecutionHandler}, if the task
     //         cannot be accepted for execution
     // @throws NullPointerException if {@code command} is null
     //
    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        //
         // 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.
         // 翻译如下：
         // 判断当前的线程数是否小于corePoolSize如果是，使用入参任务通过addWord方法创建一个新的线程，
         // 如果能完成新线程创建exexute方法结束，成功提交任务
         // 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.
         // 翻译如下：
         // 在第一步没有完成任务提交；状态为运行并且能否成功加入任务到工作队列后，再进行一次check，如果状态
         // 在任务加入队列后变为了非运行（有可能是在执行到这里线程池shutdown了），非运行状态下当然是需要
         // reject；然后再判断当前线程数是否为0（有可能这个时候线程数变为了0），如是，新增一个线程；
         // 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.
         // 翻译如下：
         // 如果不能加入任务到工作队列，将尝试使用任务新增一个线程，如果失败，则是线程池已经shutdown或者线程池
         // 已经达到饱和状态，所以reject这个他任务
         //
        int c = ctl.get();
        // 工作线程数小于核心线程数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            // 直接启动新线程，true表示会再次检查workerCount是否小于corePoolSize
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 如果工作线程数大于等于核心线程数
        // 线程的的状态未RUNNING并且队列notfull
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            // 再次检查线程的运行状态，如果不是RUNNING直接从队列中移除
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                // 移除成功，拒绝该非运行的任务
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                // 防止了SHUTDOWN状态下没有活动线程了，但是队列里还有任务没执行这种特殊情况。
                // 添加一个null任务是因为SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新任务
                addWorker(null, false);
        }
        // 如果队列满了或者是非运行的任务都拒绝执行
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

下面我们继续看看addWorker是如何实现的：

  private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        // java标签
        retry:
        // 死循环
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 获取当前线程状态
            int rs = runStateOf(c);
            // Check if queue empty only if necessary.
            // 这个逻辑判断有点绕可以改成
            // rs >= shutdown && (rs != shutdown || firstTask != null || workQueue.isEmpty())
            // 逻辑判断成立可以分为以下几种情况均不接受新任务
            // 1、rs > shutdown:--不接受新任务
            // 2、rs >= shutdown && firstTask != null:--不接受新任务
            // 3、rs >= shutdown && workQueue.isEmppty:--不接受新任务
            // 逻辑判断不成立
            // 1、rs==shutdown&&firstTask != null:此时不接受新任务，但是仍会执行队列中的任务
            // 2、rs==shotdown&&firstTask == null:会执行addWork(null,false)
            //  防止了SHUTDOWN状态下没有活动线程了，但是队列里还有任务没执行这种特殊情况。
            //  添加一个null任务是因为SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新任务
            if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))
                return false;
            // 死循环
            // 如果线程池状态为RUNNING并且队列中还有需要执行的任务
            for (;;) {
                // 获取线程池中线程数量
                int wc = workerCountOf(c);
                // 如果超出容量或者最大线程池容量不在接受新任务
                if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                // 线程安全增加工作线程数
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    // 跳出retry
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                // 如果线程池状态发生变化，重新循环
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }

        // 走到这里说明工作线程数增加成功
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                // 加锁
                mainLock.lock();
                try {
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int c = ctl.get();
                    int rs = runStateOf(c);
                    // RUNNING状态 || SHUTDONW状态下清理队列中剩余的任务
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        // 检查线程状态
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        // 将新启动的线程添加到线程池中
                        workers.add(w);
                        // 更新线程池线程数且不超过最大值
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                // 启动新添加的线程，这个线程首先执行firstTask，然后不停的从队列中取任务执行
                if (workerAdded) {
                    //执行ThreadPoolExecutor的runWoker方法
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            // 线程启动失败，则从wokers中移除w并递减wokerCount
            if (! workerStarted)
                // 递减wokerCount会触发tryTerminate方法
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

addWorker之后是runWorker,第一次启动会执行初始化传进来的任务firstTask；然后会从workQueue中取任务执行，如果队列为空则等待keepAliveTime这么长时间

 final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        // 允许中断
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            // 如果getTask返回null那么getTask中会将workerCount递减，如果异常了这个递减操作会在processWorkerExit中处理
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        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 {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

我们看下getTask是如何执行的

private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
        // 死循环
        retry: for (;;) {
            // 获取线程池状态
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // Check if queue empty only if necessary.
            // 1.rs > SHUTDOWN 所以rs至少等于STOP,这时不再处理队列中的任务
            // 2.rs = SHUTDOWN 所以rs>=STOP肯定不成立，这时还需要处理队列中的任务除非队列为空
            // 这两种情况都会返回null让runWoker退出while循环也就是当前线程结束了，所以必须要decrement
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                // 递减workerCount值
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            // 标记从队列中取任务时是否设置超时时间
            boolean timed; // Are workers subject to culling?
            // 1.RUNING状态
            // 2.SHUTDOWN状态，但队列中还有任务需要执行
            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                // 1.core thread允许被超时，那么超过corePoolSize的的线程必定有超时
                // 2.allowCoreThreadTimeOut == false && wc >
                // corePoolSize时，一般都是这种情况，core thread即使空闲也不会被回收，只要超过的线程才会
                timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
                // 从addWorker可以看到一般wc不会大于maximumPoolSize，所以更关心后面半句的情形：
                // 1. timedOut == false 第一次执行循环， 从队列中取出任务不为null方法返回 或者
                // poll出异常了重试
                // 2.timeOut == true && timed ==
                // false:看后面的代码workerQueue.poll超时时timeOut才为true，
                // 并且timed要为false，这两个条件相悖不可能同时成立（既然有超时那么timed肯定为true）
                // 所以超时不会继续执行而是return null结束线程。
                if (wc <= maximumPoolSize && !(timedOut && timed))
                    break;
                // workerCount递减，结束当前thread
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                c = ctl.get(); // Re-read ctl
                // 需要重新检查线程池状态，因为上述操作过程中线程池可能被SHUTDOWN
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
            try {
                // 1.以指定的超时时间从队列中取任务
                // 2.core thread没有超时
                Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;// 超时
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;// 线程被中断重试
            }
        }
    }

下面我们看下processWorkerExit是如何工作的

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        // 正常的话再runWorker的getTask方法workerCount已经被减一了
        if (completedAbruptly)
            decrementWorkerCount();
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            // 累加线程的completedTasks
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            // 从线程池中移除超时或者出现异常的线程
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // 尝试停止线程池
        tryTerminate();
        int c = ctl.get();
        // runState为RUNNING或SHUTDOWN
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {
            // 线程不是异常结束
            if (!completedAbruptly) {
                // 线程池最小空闲数，允许core thread超时就是0，否则就是corePoolSize
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                // 如果min == 0但是队列不为空要保证有1个线程来执行队列中的任务
                if (min == 0 && !workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                // 线程池还不为空那就不用担心了
                if (workerCountOf(c) >= min)
                    return; // replacement not needed
            }
            // 1.线程异常退出
            // 2.线程池为空，但是队列中还有任务没执行，看addWoker方法对这种情况的处理
            addWorker(null, false);
        }
    }

tryTerminate

processWorkerExit方法中会尝试调用tryTerminate来终止线程池。这个方法在任何可能导致线程池终止的动作后执行：比如减少wokerCount或SHUTDOWN状态下从队列中移除任务。

final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 以下状态直接返回：
            // 1.线程池还处于RUNNING状态
            // 2.SHUTDOWN状态但是任务队列非空
            // 3.runState >= TIDYING 线程池已经停止了或在停止了
            if (isRunning(c) || runStateAtLeast(c, TIDYING) || (runStateOf(c) == SHUTDOWN && !workQueue.isEmpty()))
                return;
            // 只能是以下情形会继续下面的逻辑：结束线程池。
            // 1.SHUTDOWN状态，这时不再接受新任务而且任务队列也空了
            // 2.STOP状态，当调用了shutdownNow方法
            // workerCount不为0则还不能停止线程池,而且这时线程都处于空闲等待的状态
            // 需要中断让线程“醒”过来，醒过来的线程才能继续处理shutdown的信号。
            if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate
                // runWoker方法中w.unlock就是为了可以被中断,getTask方法也处理了中断。
                // ONLY_ONE:这里只需要中断1个线程去处理shutdown信号就可以了。
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // 进入TIDYING状态
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                    try {
                        // 子类重载：一些资源清理工作
                        terminated();
                    } finally {
                        // TERMINATED状态
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        // 继续awaitTermination
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // else retry on failed CAS
        }
    }

shutdown这个方法会将runState置为SHUTDOWN，会终止所有空闲的线程。shutdownNow方法将runState置为STOP。和shutdown方法的区别，这个方法会终止所有的线程。主要区别在于shutdown调用的是interruptIdleWorkers这个方法，而shutdownNow实际调用的是Worker类的interruptIfStarted方法：

他们的实现如下：

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 线程池状态设为SHUTDOWN，如果已经至少是这个状态那么则直接返回
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 注意这里是中断所有空闲的线程：runWorker中等待的线程被中断 → 进入processWorkerExit →
            // tryTerminate方法中会保证队列中剩余的任务得到执行。
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
    }
public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        // STOP状态：不再接受新任务且不再执行队列中的任务。
        advanceRunState(STOP);
        // 中断所有线程
        interruptWorkers();
        // 返回队列中还没有被执行的任务。
        tasks = drainQueue();
    }
    finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
    return tasks;
}
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        for (Worker w : workers) {
            Thread t = w.thread;
            // w.tryLock能获取到锁，说明该线程没有在运行，因为runWorker中执行任务会先lock，
            // 因此保证了中断的肯定是空闲的线程。
            if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                } finally {
                    w.unlock();
                }
            }
            if (onlyOne)
                break;
        }
    }
    finally {
        mainLock.unlock();
    }
}
void interruptIfStarted() {
    Thread t;
    // 初始化时state == -1
    if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
        try {
            t.interrupt();
        } catch (SecurityException ignore) {
        }
    }
}