JDK ThreadPoolExecutor 源码解析

前言

学习 Java 的多线程知识就绕不开线程池,提起线程池那就必然要说到 ThreadPoolExecutor 类,自从 阿里巴巴编码规范 问世以来,ThreadPoolExecutor 可能也跟着火了一把,现在随便问个 Java 开发的基本都能背出来线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险

笔者所参与的项目中很多地方都使用了线程池的 ThreadPoolExecutor 类去自定义线程池的一些参数。当然凡事没有绝对,使用 Executors 去创建线程池也是有的,如果只是开启数量可控的很少的线程去执行任务,也没必要大动干戈。

为什么需要线程池
在实际使用中,线程是很占用系统资源的,如果对线程管理不善,很容易导致系统问题。因此,在大多数并发框架中都会使用线程池来管理线程,使用线程池管理线程主要有如下好处:

  • 使用线程池可以重复利用已有的线程继续执行任务,避免线程在创建和销毁时造成的消耗;
  • 由于没有线程创建和销毁时的消耗,可以提高系统响应速度;
  • 通过线程可以对线程进行合理的管理,根据系统的承受能力调整可运行线程数量的大小等。

线程池工作原理

线程池执行所提交的任务过程:

  • 先判断线程池中核心线程池所有的线程是否都在执行任务。如果不是,则新创建一个线程执行刚提交的任务,否则,核心线程池中所有的线程都在执行任务,则进入第2步;
  • 判断当前阻塞队列是否已满,如果未满,则将提交的任务放置在阻塞队列中;否则,则进入第3步;
  • 判断线程池中所有的线程是否都在执行任务,如果没有,则创建一个新的线程来执行任务,否则,则交给饱和策略进行处理。

JDK 自带线程池实现

线程池corePoolSizemaximumPoolSizekeepAliveTimeunitworkQueuethreadFactoryhandler
newCachedThreadPool0Integer.MAX_VALUE60TimeUnit.SECONDSSynchronousQueueDefaultThreadFactoryAbortPolicy
newFixedThreadPoolnThreadsnThreads0TimeUnit.MILLISECONDSLinkedBlockingQueueDefaultThreadFactoryAbortPolicy
newSingleThreadExecutor110TimeUnit.MILLISECONDSLinkedBlockingQueueDefaultThreadFactoryAbortPolicy
newSingleThreadScheduledExecutor1Integer.MAX_VALUE0TimeUnit.NANOSECONDSDelayedWorkQueueDefaultThreadFactoryAbortPolicy
newSingleThreadScheduledExecutorcorePoolSizeInteger.MAX_VALUE0TimeUnit.NANOSECONDSDelayedWorkQueueDefaultThreadFactoryAbortPolicy
newWorkStealingPool-------

补充:

  • 各种线程池实现中 threadFactory 参数可以自定义,也可以使用使用 JDK 默认 DefaultThreadFactory 实现类。

  • newWorkStealingPool 属于 ForkJoinPool 线程池框架内容,实现上比较特殊。

参数说明

  • corePoolSize:核心线程池的大小。
  • maximumPoolSize:线程池能创建线程的最大个数
  • keepAliveTime:空闲线程存活时间
  • unit:时间单位,为keepAlive Time指定时间单位
  • workQueue:阻塞队列,用于保存任务的阻塞队列
  • threadFactory:创建线程的工程类
  • handler:饱和策略(拒绝策略)

JDK 自带阻塞队列实现

线程池的生命周期

  • RUNNING:能接受新提交的任务,并且也能处理阻塞队列中的任务;

  • SHUTDOWN:关闭状态,不再接受新提交的任务,但却可以继续处理阻塞队列中已保存的任务;

  • STOP:不能接受新任务,也不处理队列中的任务,会中断正在处理任务的线程;

  • TIDYING:如果所有的任务都已终止了,workerCount(有效线程数)为 0,线程池进入该状态后会调用 terminated() 方法进入 TERMINATED 状态;

  • TERMINATED:在 terminated 方法执行完后进入该状态,默认 terminated() 方法中什么也没有做。

拒绝策略

  • 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。

ThreadPoolExecutor 源码解析

常用变量的解释

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// 1. `ctl`,可以看做一个int类型的数字,高3位表示线程池状态,低29位表示worker数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 2. `COUNT_BITS`,`Integer.SIZE`为32,所以`COUNT_BITS`为29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 3. `CAPACITY`,线程池允许的最大线程数。1左移29位,然后减1,即为 2^29 - 1
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// runState is stored in the high-order bits
// 4. 线程池有5种状态,按大小排序如下:RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;

// Packing and unpacking ctl
// 5. `runStateOf()`,获取线程池状态,通过按位与操作,低29位将全部变成0
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 6. `workerCountOf()`,获取线程池worker数量,通过按位与操作,高3位将全部变成0
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
// 7. `ctlOf()`,根据线程池状态和线程池worker数量,生成ctl值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

/*
* Bit field accessors that don't require unpacking ctl.
* These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.
*/
// 8. `runStateLessThan()`,线程池状态小于xx
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
return c < s;
}
// 9. `runStateAtLeast()`,线程池状态大于等于xx
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
return c >= s;
}

构造方法

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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
// 基本类型参数校验
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 空指针校验
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
// 根据传入参数`unit`和`keepAliveTime`,将存活时间转换为纳秒存到变量`keepAliveTime `中
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}

提交执行 task 的过程

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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.
*
* 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.
*
* 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.
*/
int c = ctl.get();
// worker数量比核心线程数小,直接创建worker执行任务
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// worker数量超过核心线程数,任务直接进入队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 线程池状态不是RUNNING状态,说明执行过shutdown命令,需要对新加入的任务执行reject()操作。
// 这儿为什么需要recheck,是因为任务入队列前后,线程池的状态可能会发生变化。
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 这儿为什么需要判断0值,主要是在线程池构造方法中,核心线程数允许为0
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 如果线程池不是运行状态,或者任务进入队列失败,则尝试创建worker执行任务。
// 这儿有3点需要注意:
// 1. 线程池不是运行状态时,addWorker内部会判断线程池状态
// 2. addWorker第2个参数表示是否创建核心线程
// 3. addWorker返回false,则说明任务执行失败,需要执行reject操作
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}

addworker 源码解析

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private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 外层自旋
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);

// 这个条件写得比较难懂,我对其进行了调整,和下面的条件等价
// (rs > SHUTDOWN) ||
// (rs == SHUTDOWN && firstTask != null) ||
// (rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty())
// 1. 线程池状态大于SHUTDOWN时,直接返回false
// 2. 线程池状态等于SHUTDOWN,且firstTask不为null,直接返回false
// 3. 线程池状态等于SHUTDOWN,且队列为空,直接返回false
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;

// 内层自旋
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// worker数量超过容量,直接返回false
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 使用CAS的方式增加worker数量。
// 若增加成功,则直接跳出外层循环进入到第二部分
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 线程池状态发生变化,对外层循环进行自旋
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 其他情况,直接内层循环进行自旋即可
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// worker的添加必须是串行的,因此需要加锁
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 这儿需要重新检查线程池状态
int rs = runStateOf(ctl.get());

if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// worker已经调用过了start()方法,则不再创建worker
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// worker创建并添加到workers成功
workers.add(w);
// 更新`largestPoolSize`变量
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 启动worker线程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// worker线程启动失败,说明线程池状态发生了变化(关闭操作被执行),需要进行shutdown相关操作
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}

线程池 worker 任务单元

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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)
*/
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
// 这儿是Worker的关键所在,使用了线程工厂创建了一个线程。传入的参数为当前worker
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
runWorker(this);
}

// 省略代码...
}

核心线程执行逻辑-runWorker

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final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 调用unlock()是为了让外部可以中断
w.unlock(); // allow interrupts
// 这个变量用于判断是否进入过自旋(while循环)
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 这儿是自旋
// 1. 如果firstTask不为null,则执行firstTask;
// 2. 如果firstTask为null,则调用getTask()从队列获取任务。
// 3. 阻塞队列的特性就是:当队列为空时,当前线程会被阻塞等待
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 这儿对worker进行加锁,是为了达到下面的目的
// 1. 降低锁范围,提升性能
// 2. 保证每个worker执行的任务是串行的
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
// 如果线程池正在停止,则对当前线程进行中断操作
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
// 执行任务,且在执行前后通过`beforeExecute()`和`afterExecute()`来扩展其功能。
// 这两个方法在当前类里面为空实现。
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 {
// 帮助gc
task = null;
// 已完成任务数加一
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 自旋操作被退出,说明线程池正在结束
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}

参考资料

感谢您的阅读,本文由 董宗磊的博客 版权所有。如若转载,请注明出处:董宗磊的博客(https://dongzl.github.io/2020/03/18/15-ThreadPoolExecutor-Source-Code/
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