Java线程池详解
作者：互联网
通过前文 线程的创建与使用 ，我们对线程有了一定了解。线程的创建与销毁需要依赖操作系统，其代价是比较高昂的，频繁地创建与销毁线程对系统性能影响较大。
出于线程管理的需要，线程池应运而生。线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务提交到线程池，任务的执行交由线程池来管理。使用线程池的好处在于：
- 降低资源消耗：线程池通常会维护一些线程（数量为 corePoolSize），这些线程被重复使用来执行不同的任务，任务完成后不会销毁。在待处理任务量很大的时候，通过对线程资源的复用，避免了线程的频繁创建与销毁，从而降低了系统资源消耗。
- 提高响应速度：由于线程池维护了一批 alive 状态的线程，当任务到达时，不需要再创建线程，而是直接由这些线程去执行任务，从而减少了任务的等待时间。
- 提高线程的可管理性：使用线程池可以对线程进行统一的分配，调优和监控。
1 Executor框架
在Java中，线程池是由Executor框架实现的，Executor是最顶层的接口定义，其子类和实现类包括：ExecutorService，ScheduledExecutorService，ThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor，ForkJoinPool等。
类图如下：
- Executor：Executor是一个接口，只定义了一个execute()方法（void execute(Runnable command);），只能提交Runnable形式的任务，不支持提交Callable带有返回值的任务。
- ExecutorService：ExecutorService在Executor的基础上加入了线程池的生命周期管理，可以通过shutdown或者shutdownNow方法来关闭线程池，关于这两个方法后文有详细说明。ExecutorService支持提交Callable形式的任务，提交完Callable任务后拿到一个Future（代表一个异步任务执行的结果）。
- ThreadPoolExecutor：是线程池中最核心的类，后面有详细说明。
- ScheduledThreadPoolExecutor：ThreadPoolExecutor子类，它在ThreadPoolExecutor基础上加入了任务定时执行的功能。
2 线程池的创建
Executors中提供了一系列静态方法创建线程池：
- newSingleThreadExecutor：一个单线程的线程池。如果因异常结束，会再创建一个新的，保证按照提交顺序执行。
- newFixedThreadPool：创建固定大小的线程池。根据提交的任务逐个增加线程，直到最大值保持不变。如果因异常结束，会新创建一个线程补充。 newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池。会根据任务自动新增或回收线程。
- newScheduledThreadPool：支持定时以及周期性执行任务的需求。
- newWorkStealingPool：JDK8新增，根据所需的并行层次来动态创建和关闭线程，通过使用多个队列减少竞争，底层使用ForkJoinPool来实现。优势在于可以充分利用多CPU，把一个任务拆分成多个“小任务”，放到多个处理器核心上并行执行；当多个“小任务”执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可。
观察源码发现，这些静态方法其实还是调用了 ThreadPoolExecutor 这个类，下面是一部分源码：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
threadFactory);
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}3 线程池的实现
前面提到的java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类，线程池的诸多功能都是在这个类中实现的，值得我们好好研究一番。
一开始，我们先用一个通俗的例子来帮助我们理解线程池的运行机制：
假如我们建了一家加工厂，那么第一个问题来了：工人编制规模是多少？（这个数字就对应线程池的 corePoolSize，即线程池核心线程数量）
接下来，假定工厂满编20个工人，那么第二个问题就是工人怎么招？（也就是线程池的线程初始化策略）根据老板的豪气程度无非有三种方式：
- 第一种，老板抠到极致，不见兔子不撒鹰，接一部分活儿招一个工人，直到满编（也就是不进行线程池的线程初始化）
- 第二种，老板精打细算，先招一个人充充门面（即调用 prestartCoreThread() 初始化一个核心线程）
- 第三种，老板豪气万丈，不管有没有活干，先把工人都安排到位（即调用prestartAllCoreThreads()，初始化所有核心线程）
不管怎么样，工人总是要来的，那么工人的劳动合同该如何签呢？是终身劳动合同，厂子不倒，人员不散？还是铁打的营盘流水的兵？
- 前者就是 allowCoreThreadTimeOut 设置为 false，即核心线程不设置存活时间
- 后者就是 allowCoreThreadTimeOut 设置为 true，即核心线程设置存活时间，存活时间的长度就是 keepAliveTime
接下来，工厂的生产线也建设起来了（在线程池里称之为 HashSet<Worker> workers），工人进入这条生产线进行生产。
完事俱备，工厂开始接受订单。为了更好地调度生产，一个调度员入职，英文名字execute。在拿到订单后，调度员execute按既定流程开始工作：
- 清点一下当前的工人人数（即线程池的 poolSize），发现人员没满编，于是立马招一个工人来接下这个工作任务。
- 工人人数满编了，于是调度室把待加工的构建放置到工厂仓库（即任务队列BlockingQueue<Runnable> workQueue），等待有干完活儿的工人来处理，当然工人是没这个主动性的，所以又一个调度员 getTask 入职了，他的任务就是实时将仓库的待加工任务分配给空闲下来的工人。
- 繁忙的时候，调度员execute发现工人满负荷工作，仓库也堆满了，而订单还在雪花般飞来，为了把这些订单消化掉，execute 赶紧招了一批临时工，把工厂工人规模临时扩大到极致（即 maximumPoolSize，线程池最大容量）。当然当生产任务没那么繁忙时，这些临时工就要被裁撤了，毕竟临时工是有成本的。
- 当临时工都到位后，订单仍然源源不断，老板也只能忍痛割爱，拒绝后续订单了（即线程池的拒绝策略）。
工厂当然不能稀里糊涂地一门心思生产，毕竟工厂业绩老板是很关心的，于是生产总量要被统计（即 completedTaskCount，线程池已完成的任务数）。工厂最多有过多少工人也被顺手统计了（即 largestPoolSize，线程池出现过的最大线程数）
当有一天，工厂因为某原因关闭时，会有两种情形：
- 工厂宣布关闭，不再接受订单，但会把已经接受的订单做完，然后遣散工人（即 调用 shutdown()关闭线程池，比较柔和的关闭方式）
- 工厂宣布立即关闭，不仅不再接受订单，而且把仓库里的待加工组件清空，工人停止手头的工作并遣散（即调用 shutdownNow()，比较激进的关闭方式）。
根据上面的例子，提炼出线程池执行任务的流程图，当然这个流程图比较简略。
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在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法：
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
}下面解释下一下构造器中各个参数的含义：
- corePoolSize：线程池容量，这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法（从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程）。当线程池中的线程数目达到corePoolSize后，就会把到达的任务放到缓存队列当中。
- maximumPoolSize：线程池最大线程数，这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程。
- keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，直到线程池中的线程数不大于corePoolSize，即当线程池中的线程数大于corePoolSize时，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在线程池中的线程数不大于corePoolSize时，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0。
- unit：参数keepAliveTime的时间单位，有7种取值，在TimeUnit类中有7种静态属性：
1. 天：TimeUnit.DAYS;
2. 小时：TimeUnit.HOURS;
3. 分钟：TimeUnit.MINUTES;
4. 秒：TimeUnit.SECONDS;
5. 毫秒：TimeUnit.MILLISECONDS;
6. 微秒：TimeUnit.MICROSECONDS;
7. 纳秒：TimeUnit.NANOSECONDS;1. **ArrayBlockingQueue**：基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO排序任务；
2. **LinkedBlockingQuene**：基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene；
3. **SynchronousQuene**：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene；
4. **priorityBlockingQuene**：具有优先级的无界阻塞队列；- handler：表示当拒绝处理任务时的策略，有以下四种取值：
1. **ThreadPoolExecutor.AbortPolicy**：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
2. **ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy**：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
3. **ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy**：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
4. **ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy**：由调用线程处理该任务ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor几个之间的关系：
- ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService，AbstractExecutorService是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口。
- ExecutorService又是继承了Executor接口，Executor是顶层接口。
3.2 重要成员变量
接下来看一下ThreadPoolExecutor类中其他的一些比较重要成员变量：
// 任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//线程池的主要状态锁，对线程池状态（比如线程池大小、runState等）的改变都要使用这个锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//用来存放工作集
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//线程存活时间
private volatile long keepAliveTime;
//是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
//核心池的大小（即线程池中的线程数目大于这个参数时，提交的任务会被放进任务缓存队列）
private volatile int corePoolSize;
//线程池最大能容忍的线程数
private volatile int maximumPoolSize;
//线程池中当前的线程数
private volatile int poolSize;
//任务拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//线程工厂，用来创建线程
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数
private int largestPoolSize;
//用来记录已经执行完毕的任务个数
private long completedTaskCount; 3.3 线程池状态
在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量，另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态：
volatile int runState;
static final int RUNNING = 0;
static final int SHUTDOWN = 1;
static final int STOP = 2;
static final int TERMINATED = 3;runState表示当前线程池的状态，它是一个 volatile 变量用来保证线程之间的可见性。
下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值，有以下几个状态：
- RUNNING：当创建线程池后，初始时，线程池处于RUNNING状态；
- SHUTDOWN：如果调用了shutdown()方法，则线程池处于SHUTDOWN状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
- STOP：如果调用了shutdownNow()方法，则线程池处于STOP状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
- TERMINATED：当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态。
3.4 任务的执行
诸多函数的调用关系图：
3.4.1 execute()
- 方法说明：在ThreadPoolExecutor类中，任务提交方法的入口是execute(Runnable command) 方法（submit()方法也是调用了execute()），该方法其实只在尝试做一件事：经过各种校验之后，调用 addWorker(Runnable command,boolean core) 方法为线程池创建一个线程并执行任务，与之相对应，execute() 的结果有两个：
1. 成功调用了addWorker()（剩下的执行任务要交给后续方法去完成了）
2. 未能调用addWorker并拒绝本次任务，返回null。参数说明：1. Runnable command：待执行的任务执行流程：1. 通过 ctl.get() 得到线程池的当前线程数，如果线程数小于corePoolSize，则调用 **addWorker(commond,true)** 方法创建新的线程执行任务，否则执行步骤2；
2. 步骤1失败，说明已经无法再创建新线程，那么考虑将任务放入阻塞队列，等待执行完任务的线程来处理。基于此，判断线程池是否处于Running状态（只有Running状态的线程池可以接受新任务），如果任务添加到任务队列成功则进入步骤3，失败则进入步骤4；
3. 来到这一步需要说明任务已经加入任务队列，这时要二次校验线程池的状态，会有以下情形：
- 线程池不再是Running状态了，需要将任务从任务队列中移除，如果移除成功则**拒绝本次任务**。
- 线程池是Running状态，则判断线程池工作线程是否为0，是则调用 **addWorker(commond,true)** 添加一个没有初始任务的线程（这个线程将去获取已经加入任务队列的本次任务并执行），否则进入步骤4；
- 线程池不是Running状态，但从任务队列移除任务失败（可能已被某线程获取？），进入步骤4；
4. 将线程池扩容至maximumPoolSize并调用 **addWorker(commond,false)** 方法创建新的线程执行任务，失败则**拒绝本次任务**。流程图：- 源码详读：
/**
* Executes the given task sometime in the future. The task
* may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
* 在将来的某个时候执行给定的任务。任务可以在新线程中执行，也可以在现有的池线程中执行。
* 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}.
* 如果由于此执行器已关闭或已达到其容量而无法提交任务以供执行，则由当前的{@code RejectedExecutionHandler}处理该任务。
* @param command the task to execute 待执行的任务命令
* @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.
* 如果运行的线程少于corePoolSize，请尝试以给定的命令作为第一个任务启动新线程。
* 对addWorker的调用以原子方式检查runState和workerCount，
* 因此可以通过返回false来防止在不应该添加线程时出现错误警报。
*
* 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.
* 如果一个任务可以成功排队，那么我们仍然需要仔细检查两点，其一，我们是否应该添加一个线程
* （因为自从上次检查至今，一些存在的线程已经死亡），其二，线程池状态此时已改变成非运行态。因此，我们重新检查状态，如果检查不通过，则移除已经入列的任务，如果检查通过且线程池线程数为0，则启动新线程。
* 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.
* 3. 如果无法将任务加入任务队列，则将线程池扩容到极限容量并尝试创建一个新线程，
* 如果失败则拒绝任务。
*/
int c = ctl.get();
// 步骤1：判断线程池当前线程数是否小于线程池大小
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 增加一个工作线程并添加任务，成功则返回，否则进行步骤2
// true代表使用coreSize作为边界约束，否则使用maximumPoolSize
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 步骤2：不满足workerCountOf(c) < corePoolSize或addWorker失败，进入步骤2
// 校验线程池是否是Running状态且任务是否成功放入workQueue（阻塞队列）
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次校验，如果线程池非Running且从任务队列中移除任务成功，则拒绝该任务
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果线程池工作线程数量为0，则新建一个空任务的线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
// 如果线程池不是Running状态，是加入不进去的
addWorker(null, false);
}
// 步骤3：如果线程池不是Running状态或任务入列失败，尝试扩容maxPoolSize后再次addWorker，失败则拒绝任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}3.4.2 addWorker()
- 方法说明： addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 方法，顾名思义，向线程池添加一个带有任务的工作线程。
- 参数说明：
1. Runnable firstTask：新创建的线程应该首先运行的任务（如果没有，则为空）。
2. boolean core：该参数决定了线程池容量的约束条件，即当前线程数量以何值为极限值。参数为 true 则使用corePollSize 作为约束值，否则使用maximumPoolSize。执行流程：1. 外层循环判断线程池的状态是否可以新增工作线程。这层校验基于下面两个原则：
- 线程池为Running状态时，既可以接受新任务也可以处理任务
- 线程池为关闭状态时只能新增空任务的工作线程（worker）处理任务队列（workQueue）中的任务不能接受新任务
2. 内层循环向线程池添加工作线程并返回是否添加成功的结果。
- 首先校验线程数是否已经超限制，是则返回false，否则进入下一步
- 通过CAS使工作线程数+1，成功则进入步骤3，失败则再次校验线程池是否是运行状态，是则继续内层循环，不是则返回外层循环
3. 核心线程数量+1成功的后续操作：添加到工作线程集合，并启动工作线程
- 首先获取锁之后，再次校验线程池状态（具体校验规则见代码注解），通过则进入下一步，未通过则添加线程失败
- 线程池状态校验通过后，再检查线程是否已经启动，是则抛出异常，否则尝试将线程加入线程池
- 检查线程是否启动成功，成功则返回true，失败则进入 addWorkerFailed 方法流程图：- 源码详读：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// 外层循环：判断线程池状态
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
/**
* 1.线程池为非Running状态（Running状态则既可以新增核心线程也可以接受任务）
* 2.线程为shutdown状态且firstTask为空且队列不为空
* 3.满足条件1且条件2不满足，则返回false
* 4.条件2解读：线程池为shutdown状态时且任务队列不为空时，可以新增空任务的线程来处理队列中的任务
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
// 内层循环：线程池添加核心线程并返回是否添加成功的结果
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 校验线程池已有线程数量是否超限：
// 1.线程池最大上限CAPACITY
// 2.corePoolSize或maximumPoolSize（取决于入参core）
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 通过CAS操作使工作线程数+1，跳出外层循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 线程+1失败，重读ctl
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 如果此时线程池状态不再是running，则重新进行外层循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 其他 CAS 失败是因为工作线程数量改变了，继续内层循环尝试CAS对线程数+1
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/**
* 核心线程数量+1成功的后续操作：添加到工作线程集合，并启动工作线程
*/
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) {
// 下面代码需要加锁：线程池主锁
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 持锁期间重新检查，线程工厂创建线程失败或获取锁之前关闭的情况发生时，退出
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 再次检验线程池是否是running状态或线程池shutdown但线程任务为空
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 线程已经启动，则抛出非法线程状态异常
// 为什么会存在这种状态呢？未解决
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w); //加入线程池
int s = workers.size();
// 如果当前工作线程数超过线程池曾经出现过的最大线程数，刷新后者值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock(); // 释放锁
}
if (workerAdded) { // 工作线程添加成功，启动该线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//线程启动失败，则进入addWorkerFailed
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}3.4.3 Worker类
Worker类是内部类，既实现了Runnable，又继承了AbstractQueuedSynchronizer（以下简称AQS），所以其既是一个可执行的任务，又可以达到锁的效果。
Worker类主要维护正在运行任务的线程的中断控制状态，以及其他次要的记录。这个类适时地继承了AbstractQueuedSynchronizer类，以简化获取和释放锁（该锁作用于每个任务执行代码）的过程。这样可以防止去中断正在运行中的任务，只会中断在等待从任务队列中获取任务的线程。
我们实现了一个简单的不可重入互斥锁，而不是使用可重入锁，因为我们不希望工作任务在调用setCorePoolSize之类的池控制方法时能够重新获取锁。另外，为了在线程真正开始运行任务之前禁止中断，我们将锁状态初始化为负值，并在启动时清除它（在runWorker中）。
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
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)
*/
// 通过构造函数初始化，
Worker(Runnable firstTask) {
//设置AQS的同步状态
// state：锁状态，-1为初始值，0为unlock状态，1为lock状态
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker 在调用runWorker前，禁止中断
this.firstTask = firstTask;
// 线程工厂创建一个线程
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
runWorker(this); //runWorker()是ThreadPoolExecutor的方法
}
// Lock methods
// The value 0 represents the unlocked state. 0代表“没被锁定”状态
// The value 1 represents the locked state. 1代表“锁定”状态
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() != 0;
}
/**
* 尝试获取锁的方法
* 重写AQS的tryAcquire()，AQS本来就是让子类来实现的
*/
protected boolean tryAcquire(int unused) {
// 判断原值为0，且重置为1，所以state为-1时，锁无法获取。
// 每次都是0->1，保证了锁的不可重入性
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// 设置exclusiveOwnerThread=当前线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
/**
* 尝试释放锁
* 不是state-1，而是置为0
*/
protected boolean tryRelease(int unused) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
public void lock() { acquire(1); }
public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); }
public void unlock() { release(1); }
public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
/**
* 中断（如果运行）
* shutdownNow时会循环对worker线程执行
* 且不需要获取worker锁，即使在worker运行时也可以中断
*/
void interruptIfStarted() {
Thread t;
//如果state>=0、t!=null、且t没有被中断
//new Worker()时state==-1，说明不能中断
if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
}
}
}
}3.4.4 runWorker()
- 方法说明：可以说，runWorker(Worker w) 是线程池中真正处理任务的方法，前面的execute() 和 addWorker() 都是在为该方法做准备和铺垫。
- 参数说明：
1. Worker w：封装的Worker，携带了工作线程的诸多要素，包括 **Runnable**（待处理任务）、lock（锁）、completedTasks（记录线程池已完成任务数）执行流程：1. 判断当前任务或者从任务队列中获取的任务是否不为空，都为空则进入步骤2，否则进入步骤3
2. 任务为空，则将completedAbruptly置为false（即线程不是突然终止），并执行processWorkerExit(w,completedAbruptly) 方法进入线程退出程序
3. 任务不为空，则进入循环，并加锁
4. 判断是否为线程添加中断标识，以下两个条件满足其一则添加中断标识：线程池状态>=STOP,即STOP或TERMINATED一开始判断线程池状态<STOP，接下来检查发现Thread.interrupted()为true，即线程已经被中断，再次检查线程池状态是否>=STOP（以消除该瞬间shutdown方法生效，使线程池处于STOP或TERMINATED）执行前置方法 beforeExecute(wt, task)（该方法为空方法，由子类实现）后执行task.run() 方法执行任务（执行不成功抛出相应异常）执行后置方法 afterExecute(task, thrown)（该方法为空方法，由子类实现）后将线程池已完成的任务数+1，并释放锁。再次进行循环条件判断。流程图：- 源码详读：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// allow interrupts
// new Worker()是state==-1，此处是调用Worker类的tryRelease()方法，将state置为0，而interruptIfStarted()中只有state>=0才允许调用中断
w.unlock();
// 线程退出的原因，true是任务导致，false是线程正常退出
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 当前任务和从任务队列中获取的任务都为空，方停止循环
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
//上锁可以防止在shutdown()时终止正在运行的worker，而不是应对并发
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
/**
* 判断1：确保只有在线程处于stop状态且wt未中断时，wt才会被设置中断标识
* 条件1：线程池状态>=STOP,即STOP或TERMINATED
* 条件2：一开始判断线程池状态<STOP，接下来检查发现Thread.interrupted()为true，即线程已经被中断，再次检查线程池状态是否>=STOP（以消除该瞬间shutdown方法生效，使线程池处于STOP或TERMINATED），
* 条件1与条件2任意满意一个，且wt不是中断状态，则中断wt，否则进入下一步
*/
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt(); //当前线程调用interrupt()中断
try {
//执行前（空方法，由子类重写实现）
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 {
//执行后（空方法，由子类重写实现）
afterExecute(task, thrown);
}
}
finally {
task = null;
w.completedTasks++; //完成任务数+1
w.unlock(); //释放锁
}
}
//
completedAbruptly = false;
}
finally {
//处理worker的退出
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}3.4.5 getTask()
- 方法说明：由函数调用关系图可知，在ThreadPoolExecutor类的实现中，Runnable getTask() 方法是为 void runWorker(Worker w)方法服务的，它的作用就是在任务队列（workQueue）中获取 task（Runnable）。
- 参数说明：无参数
- 执行流程：
- 将timedOut（上次获取任务是否超时）置为false（首次执行方法，无上次，自然为false），进入一个无限循环
- 如果线程池为Shutdown状态且任务队列为空（线程池shutdown状态可以处理任务队列中的任务，不再接受新任务，这个是重点）或者线程池为STOP或TERMINATED状态，则意味着线程池不必再获取任务了，当前工作线程数量-1并返回null，否则进入步骤3
- 如果线程池数量超限制或者时间超限且（任务队列为空或当前线程数>1），则进入步骤4，否则进入步骤5。
- 移除工作线程，成功则返回null，不成功则进入下轮循环。
- 尝试用poll() 或者 take()（具体用哪个取决于timed的值）获取任务，如果任务不为空，则返回该任务。如果为空，则将timeOut 置为 true进入下一轮循环。如果获取任务过程发生异常，则将 timeOut置为 false 后进入下一轮循环。
- 流程图：
- 源码详读：
private Runnable getTask() {
// 最新一次poll是否超时
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.
/**
* 条件1：线程池状态SHUTDOWN、STOP、TERMINATED状态
* 条件2：线程池STOP、TERMINATED状态或workQueue为空
* 条件1与条件2同时为true，则workerCount-1，并且返回null
* 注：条件2是考虑到SHUTDOWN状态的线程池不会接受任务，但仍会处理任务
*/
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
/**
* 下列两个条件满足任意一个，则给当前正在尝试获取任务的工作线程设置阻塞时间限制（超时会被销毁？不太确定这点），否则线程可以一直保持活跃状态
* 1.allowCoreThreadTimeOut：当前线程是否以keepAliveTime为超时时限等待任务
* 2.当前线程数量已经超越了核心线程数
*/
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 两个条件全部为true，则通过CAS使工作线程数-1，即剔除工作线程
// 条件1：工作线程数大于maximumPoolSize，或（工作线程阻塞时间受限且上次在任务队列拉取任务超时）
// 条件2：wc > 1或任务队列为空
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
// 移除工作线程，成功则返回null，不成功则进入下轮循环
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
// 执行到这里，说明已经经过前面重重校验，开始真正获取task了
try {
// 如果工作线程阻塞时间受限，则使用poll(),否则使用take()
// poll()设定阻塞时间，而take()无时间限制，直到拿到结果为止
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
// r不为空，则返回该Runnable
if (r != null)
return r;
// 没能获取到Runable，则将最近获取任务是否超时设置为true
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 响应中断，进入下一次循环前将最近获取任务超时状态置为false
timedOut = false;
}
}
}3.4.6 processWorkerExit()
- 方法说明：processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly)，执行线程退出的方法
- 参数说明：
1. Worker w：要结束的工作线程。
2. boolean completedAbruptly： 是否突然完成（异常导致），如果工作线程因为用户异常死亡，则completedAbruptly参数为 true。执行流程：1. 如果 completedAbruptly 为 true，即工作线程因为异常突然死亡，则执行工作线程-1操作。
2. 主线程获取锁后，线程池已经完成的任务数追加 w（当前工作线程） 完成的任务数，并从worker的set集合中移除当前worker。
3. 根据线程池状态进行判断是否执行tryTerminate()结束线程池。
4. 是否需要增加工作线程，如果线程池还没有完全终止，仍需要保持一定数量的线程。
1. 如果当前线程是突然终止的，调用addWorker()创建工作线程
2. 当前线程不是突然终止，但当前工作线程数量小于线程池需要维护的线程数量，则创建工作线程。需要维护的线程数量为corePoolSize（取决于成员变量 allowCoreThreadTimeOut是否为 false）或1。源码详读：/**
* Performs cleanup and bookkeeping for a dying worker. Called
* only from worker threads. Unless completedAbruptly is set,
* assumes that workerCount has already been adjusted to account
* for exit. This method removes thread from worker set, and
* possibly terminates the pool or replaces the worker if either
* it exited due to user task exception or if fewer than
* corePoolSize workers are running or queue is non-empty but
* there are no workers.
*
* @param w the worker
* @param completedAbruptly if the worker died due to user exception
*/
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
/**
* 1.工作线程-1操作
* 1）如果completedAbruptly 为true，说明工作线程发生异常，那么将正在工作的线程数量-1
* 2）如果completedAbruptly 为false，说明工作线程无任务可以执行，由getTask()执行worker-1操作
*/
if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
decrementWorkerCount();
// 2.从线程set集合中移除工作线程，该过程需要加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// 将该worker已完成的任务数追加到线程池已完成的任务数
completedTaskCount += w.completedTasks;
// HashSet<Worker>中移除该worker
workers.remove(w);
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 3.根据线程池状态进行判断是否结束线程池
tryTerminate();
/**
* 4.是否需要增加工作线程
* 线程池状态是running 或 shutdown
* 如果当前线程是突然终止的，addWorker()
* 如果当前线程不是突然终止的，但当前线程数量 < 要维护的线程数量，addWorker()
* 故如果调用线程池shutdown()，直到workQueue为空前，线程池都会维持corePoolSize个线程，然后再逐渐销毁这corePoolSize个线程
*/
int c = ctl.get();
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
if (!completedAbruptly) {
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
addWorker(null, false);
}
}3.5 线程初始化
默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。
在实际中如果需要线程池创建之后立即创建线程，可以通过以下两个方法办到：
- prestartCoreThread()：boolean prestartCoreThread()，初始化一个核心线程
- prestartAllCoreThreads()：int prestartAllCoreThreads()，初始化所有核心线程，并返回初始化的线程数
public boolean prestartCoreThread() {
return addIfUnderCorePoolSize(null); //注意传进去的参数是null
}
public int prestartAllCoreThreads() {
int n = 0;
while (addIfUnderCorePoolSize(null))//注意传进去的参数是null
++n;
return n;
}注意上面传进去的参数是null，根据第2小节的分析可知如果传进去的参数为null，则最后执行线程会阻塞在getTask方法中的
r = workQueue.take();即等待任务队列中有任务。
3.6 任务缓存队列及排队策略
在前面我们多次提到了任务缓存队列，即workQueue，它用来存放等待执行的任务。workQueue的类型为BlockingQueue，通常可以取下面三种类型：
- ArrayBlockingQueue：基于数组的先进先出队列，此队列创建时必须指定大小
- LinkedBlockingQueue：基于链表的先进先出队列，如果创建时没有指定此队列大小，则默认为Integer.MAX_VALUE；
- synchronousQueue：这个队列比较特殊，它不会保存提交的任务，而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。
3.6 线程池的关闭
ThreadPoolExecutor提供了两个方法，用于线程池的关闭，分别是shutdown()和shutdownNow()，其中：
- shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
- shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务
3.7 线程池容量的动态调整
ThreadPoolExecutor提供了动态调整线程池容量大小的方法：setCorePoolSize()和setMaximumPoolSize()，
- setCorePoolSize：设置核心池大小
- setMaximumPoolSize：设置线程池最大能创建的线程数目大小
当上述参数从小变大时，ThreadPoolExecutor进行线程赋值，还可能立即创建新的线程来执行任务。
3.8 任务拒绝策略
当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略，通常有以下四种策略：
- ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
- ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务
标签：Java,int,队列,任务,详解,线程,null,ThreadPoolExecutor 来源： https://www.cnblogs.com/myhomepages/p/16516713.html