线程池源码分析

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概述

在 java 中，线程池 ThreadPoolExecutor 是一个绕不过去的类，它是享元模式思想的体现，通过在容器中创建一定数量的线程加以重复利用，从而避免频繁创建线程带来的额外开销。一个设置合理的线程池可以提高任务响应的速度，并且避免线程数超过硬件能力带来的意外情况。

在本文，将深入线程池源码，了解线程池的底层实现与运行机制。

一、构造方法

ThreadPoolExecutor 类一共提供了四个构造方法，我们基于参数最完整构造方法了解一下线程池创建所需要的变量：

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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数
                          int maximumPoolSize, // 最大线程数
                          long keepAliveTime, // 非核心线程闲置存活时间
                          TimeUnit unit, // 时间单位
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 工作队列
                          ThreadFactory threadFactory, // 创建线程使用的线程工厂
                          RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略) {
}
  • 核心线程数：即长期存在的线程数，当线程池中运行线程未达到核心线程数时会优先创建新线程；
  • 最大线程数：当核心线程已满，工作队列已满，同时线程池中线程总数未超过最大线程数，会创建非核心线程；
  • 非核心线程闲置存活时间：当非核心线程闲置的时的最大存活时间；
  • 时间单位：非核心线程闲置存活时间的时间单位；
  • 任务队列：当核心线程满后，任务会优先加入工作队列，等等待核心线程消费；
  • 线程工厂：线程池创建新线程时使用的线程工厂；
  • 拒绝策略：当工作队列与线程池都满时，用于执行的策略；

二、线程池状态

1.线程池状态

线程池拥有一个 AtomicInteger 类型的成员变量 ctl ，通过位运算分别使用 ctl 的高位低位以便在一个值中存储线程数量以及线程池状态。

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private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29（32-3）
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 允许的最大工作线程（2^29-1 约5亿）
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// 运行状态。线程池接受并处理新任务
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
// 关闭状态。线程池不能接受新任务，处理完剩余任务后关闭。调用shutdown()方法会进入该状态。
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
// 停止状态。线程池不能接受新任务，并且尝试中断旧任务。调用shutdownNow()方法会进入该状态。
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
// 整理状态。由关闭状态转变，线程池任务队列为空时进入该状态，会调用terminated()方法。
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
// 终止状态。terminated()方法执行完毕后进入该状态，线程池彻底停止。
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

2.线程状态的计算

这里比较不好理解的是上述-1的位运算，下面我们来分析一下：

在计算机中，二进制负数一般用补码表示，即源码取反再加一。但又有这种说法，即将最高位作为符号位，0为正数，1为负数。实际上两者是可以结合在一起看的。假如数字是单字节数，1 字节对应8 bit，即八位，现在，我们要计算 - 1。

按照第二种说法，最高位为符号位，则有 1/000 0001，然后按第一种说法取反后+1，并且符号位不变，则有 1/111 1110 + 1，即 1/111 1111。

现在回到 -1 << COUNT_BITS这行代码：

一个 int 是 4 个字节，对应 32 bit，按上述过程 -1 转为二进制即为 1/111......1111（32个1）， COUNT_BITS是 29，-1 左移 29 位，最终得到 111.0...0000。

同理，计算其他的几种状态，可知分别是：

状态 二进制
RUNNING 111...0....00
SHUTDOWN 000...0....00
STOP 001...0....00
TIDYING 010...0....00
TERMINATED 011...0....00

其中，我们可以知道 SHUTDOWN 状态转为十进制也是 0 ，而 RUNNING 作为有符号数，它的最高位是 1，说明转为十进制以后是个负数，其他的状态最高位都是 0，转为十进制之后都是正数，也就是说，我们可以这么认为：

小于 SHUTDOWN 的就是 RUNNING，大于 SHUTDOWN 就是停止或者停止中。

这也是后面状态计算的一些写法的基础。比如 isRunning()方法：

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private static boolean isRunning(int c) {
    return c < SHUTDOWN;
}

3.线程状态与工作线程数的获取

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// 根据当前运行状态和工作线程数获取当前的 ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
// 获取运行状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
// 获取工作线程数
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

前面获取状态的时候调用了 ctlOf()方法，根据前面，我们可以知道，CAPACITY实际上是 29 位，而线程状态用的是 32 - 30 共 3 位，也就是说，ctl 共 32 位，高3 位用于表示线程池状态，而低 29 位表示工作线程的数量。

这样上述三个方法就很好理解了：

  • ctlOf()：获取 ctl。

    将工作线程数量与运行状态进行于运算，假如我们处于 RUNNING，并且有 1 个工作线程，那么 ctl = 111....000 | 000.... 001，最终得到 111 ..... 001；

  • runStateOf()：获取运行状态。

    继续根据上文的数据，~CAPACITY 取反即为 111....000，与运行状态 111...0000 与运算，最终得到 111....000，相当于低位掩码，消去低 29 位；

  • workerCountOf()：获取工作线程数。

    同理，c & CAPACITY里的 CAPACITY 相当于高位掩码，用于消去高 3 位，最终得到 00...001，即工作线程数。

同理，如果要增加工作线程数，就直接通过 CAS 去递增 ctl，比如新建线程中使用的公共方法：

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private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
    // 通过 CAS 递增 ctl
    return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}

要改变线程池状态，就根据当前工作线程和要改变的状态去合成新的 ctl，然后 CAS 改变 ctl，比如 shutdown()中涉及的相关代码：

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private void advanceRunState(int targetState) {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            if (runStateAtLeast(c, targetState) ||       
		        // 通过 CAS 改变 ctl
                ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
                break;
        }
    }

三、任务的创建与执行

线程池任务提交方法是 execute()，根据代码可知，当一个任务进来时，分四种情况：

  • 当前工作线程数小于核心线程数，启动新线程；
  • 当前工作线程数大于核心线程数，但是未大于最大线程数，尝试添加到工作队列；
  • 当前线程池核心线程和队列都满了，尝试创建新非核心线程。
  • 非核心线程创建失败，说明线程池彻底满了，执行拒绝策略。
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public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    
    // 1.当前工作线程数小于核心线程数，启动新线程
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 添加任务
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    
    // 2. 当前工作线程数大于核心线程数，但是未大于最大线程数，尝试添加到工作队列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 如果当前线程处于非运行态，并且移除当前任务成功，则拒绝任务（防止添加到一半就shutdown）
        if (! isRunning(recheck) && remove(command)) 
            reject(command);
        // 如果当前没有工作线程了，就启动新线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    
    // 3.当前线程池核心线程和队列都满了，尝试创建新非核心线程
    else if (!addWorker(command, false))
        // 4.线程池彻底满了，执行拒绝策略
        reject(command);
}

1.添加任务

添加任务依靠 addWorker()方法，这个方法很长，但是主要就干了两件事：

  • CAS 让 ctl 的工作线程数 +1；
  • 启动新的线程；
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private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    // 1.改变 ctl 使工作线程+1
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // 如果当前不处于运行状态，传入任务为空，并且任务队列为空的时候拒绝添加新任务
        // 即线程池 shutdown 时不让添加新任务，但是运行继续跑完任务队列里的任务。
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            // 线程不允许超过最大线程数，核心线程不允许超过最大核心线程数
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            // CAS 递增工作线程数
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                // 失败了就重新回到上面的retry处继续往下执行
                break retry;
            // 更新 ctl
            c = ctl.get();
            // 如果运行状态改变了就全部从来
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
        }
    }

    // 2.启动新线程
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        // 创建新线程
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            // 加锁
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                int rs = runStateOf(ctl.get());
			   
                // 如果线程池处于运行状态，或者没有新任务的SHUTDOWN状态（即SHUTDOW以后还在消费工作队列里的任务） 
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    // 线程是否在未启动前就已经启动了
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                     // 如果集合中的工作线程数大于最大线程数，则将池中最大线程数改为当前工作线程数
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    // 线程创建完成
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // 如果线程成功创建，就启动线程，并且更改启动状态为成功
            if (workerAdded) {
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        // 如果线程启动不成功，就执行失败策略
        if (! workerStarted)
            // 启动失败策略，从当前工作线程队列移除当前启动失败的线程，递减工作线程数，然后尝试关闭线程池（如果当前任务就是线程池最后一个任务）
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

2. 任务对象Worker

根据上文，不难发现，在线程池中线程往往以 Worker 对象的方式存在，那么这个 Worker 又是何方神圣？

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private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {

        // 工作线程
        final Thread thread;
    
        // 要执行的任务
        Runnable firstTask;
    
        // 线程执行过的任务数
        volatile long completedTasks;

        // 通过线程工厂创建工作线程
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1);
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }

        // 执行任务
        public void run() {
            runWorker(this);
        }
    
    	... ...
    }

这个 Worker 类继承了 AQS，也就是说，他本身就相当于一个同步队列，结合他的成员变量 thread 和 firstTask，可以知道他实际上就是我们线程池中所说的“线程”。除了父类 AQS 本身提供的独占锁以外，Worker 还提供了一些检查任务线程运行状态以及中断线程相关的方法。

此外，线程池中还有一个工作队列 workers，用于保存当前全部的 Worker：

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private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

3.任务的启动

当调用 Worker.run()的时候，其实调用的是 runWorker()方法。

runWorker()方法实际上就是调用线程执行任务的方法，他的逻辑大题是这样的：

  • 拿到入参的新 Worker，一直循环获取 Worker 里的任务；
  • 加锁然后执行任务；
  • 如果执行完任务流程，并且没有发生异常导致 Worker 挂掉，就直接复用 Worker(在获取任务的方法 getTask()中循环等待任务)；
  • 如果执行完任务流程后发现发生异常导致 Worker 挂掉，就从工作队列中移除当前 Worker，并且补充一个新的；

如果整个流程执行完毕，就删除当前的 Worker。

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final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // 新创建的Worker默认state为-1，AQS的unlock方法会将其改为0，此后允许使用interruptIfStarted()方法进行中断
    
    // 完成任务以后是否需要移除当前Worker，即当前任务是否意外退出
    boolean completedAbruptly = true;
    
    try {
        // 循环获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // 加锁，防止 shundown 时中断正在运行的任务
            w.lock();
            // 如果线程池状态为 STOP 或更后面的状态，中断线程任务
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                // 钩子方法，默认空实现，需要自己提供
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    // 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 {
                    // 钩子方法
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                // 任务执行完毕
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        // 根据completedAbruptly决定是否要移除意外退出的Worker，并补充新的Worker
        // 也就是说，如果上述过程顺利完成，工作线程没有挂掉，就不删除，下次继续用，否则就干掉它再补充一个。
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

4.任务的获取与超时处理

在 runWorker()方法中，通过 getTask()方法去获取任务。值得注意的是，超时处理也在此处，简单的来说，整套流程是这样的：

  • 判断线程池是否关闭，工作队列是否为空，如果是说明没任务了，直接返回null，否则接着往下判断；
  • 判断当前是否存在非核心线程，如果是说明需要进行超时处理；
  • 获取任务，如果不需要超时处理，则直接从任务队列获取任务，否则根据 keepaliveTime 阻塞一段时间后获取任务，如果获取不到，说明非核心线程超时，返回 null 交给 runWorker()中的processWorkerExit()方法去删除；

换句话说，runWorker()方法一旦执行完毕，必然会删除当前的 Worker，而通过 getTask()拿任务的 Worker，在线程池正常运行的状态下，核心线程只会一直在 for 循环中等待直到拿到任务，而非核心线程超时以后拿不到任务就会返回一个 null，然后回到 runWorker()中走完processWorkerExit()方法被删除。

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private Runnable getTask() {
    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.
        // 如果线程池关闭了，并且工作队列里的任务都完成了，或者线程池直接进入了 STOP 或更进一步的状态，就不返回新任务
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        // 获取当前工作线程
        int wc = workerCountOf(c);

        // 核心线程是否超时（默认false）或当前是否存在非核心线程，即判断当前当前是否需要进行超时控制
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        // 判断线程是否超过最大线程数或存在非核心线程
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            // 并且除非任务队列为空，否则池中最少有一个线程
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            // 获取任务
            Runnable r = timed ?
                // 阻塞 keepaliveTime 以获取任务，如果在 keepaliveTime 时间内没有获取到任务，则返回 null.
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            // 如果获取不到任务，说明非核心线程超时了，下一轮判断确认是否退出循环。
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

四、线程池的中断

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线程池的中断方法分为三种：

  • shutdown()：中断线程池，不再添加新任务，同时等待当前进行和队列中的任务完成；
  • shutdownNow()：立即中断线程池，不再添加新任务，同时中断所有工作中的任务，不再处理任务队列中任务。

1.shutdown

shutdown 是有序关闭。主要干了三件事：

  • 改变当前线程池状态为 SHUTDOWN；
  • 将当前工作队列中的全部线程标记为中断；
  • 完成上述过程后将线程池状态改为 TIDYING
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public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    // 加锁
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        // 改变当前线程池状态
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        // 中断当前线程
        interruptIdleWorkers();
        // 钩子函数，默认空实现
        onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
}

其中，interruptIdleWorkers()方法如下：

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private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        // 遍历工作队列中的全部 Worker
        for (Worker w : workers) {
            Thread t = w.thread;
            if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                try {
                    // 标记为中断
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                } finally {
                    w.unlock();
                }
            }
            if (onlyOne)
                break;
        }
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
}

2.shutdownNow

shutdownNow() 与 shutdown()流程类似，但是会直接将状态转为 STOP，在 addWorker() 或者getTask()等处理任务的相关方法里，会针对 STOP 或更进一步的状态做区分，将不会再处理任务队列中的任务，配合drainQueue()方法以删除任务队列中的任务。

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public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        // 改变当前线程池状态
        advanceRunState(STOP);
        // 中断当前线程
        interruptWorkers();
        // 删除任务队列中的任务
        tasks = drainQueue();
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
    return tasks;
}

五、拒绝策略

当任务队列已满，并且线程池中线程也到达最大线程数的时候，就会调用拒绝策略。也就是reject()方法

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final void reject(Runnable command) {
    handler.rejectedExecution(command, this);
}

拒绝策略共分四种：

  • AbortPolicy：拒绝策略，直接抛出异常，默认策略；
  • CallerRunsPolicy：调用者运行策略，用调用者所在的线程来执行任务；
  • DiscardOldestPolicy：弃老策略，无声无息的丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
  • DiscardPolicy：丢弃策略，直接无声无息的丢弃任务；

我们可以简单的了解一下他们的实现：

AbortPolicy

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throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                     " rejected from " +
                                     e.toString());

CallerRunsPolicy

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public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    if (!e.isShutdown()) {
        r.run();
    }
}

DiscardOldestPolicy

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public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
    if (!e.isShutdown()) {
        // 弹出队头元素
        e.getQueue().poll();
        e.execute(r);
    }
}

DiscardPolicy

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public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
	// Does nothing
}

六、线程池的钩子函数

和 HashMap 与 LinkedHashMap 中的行为有点类似，在线程池的代码中，有些方法调用了一些具有空实现的方法，这些方法是提供给用户去继承并重写的钩子函数，主要包括三个：

  • beforeExecute()：在执行任务之前回调
  • afterExecute()：在任务执行完后回调
  • terminated()：在线程池中的所有任务执行完毕后回调

通过继承 ThreadPoolExecutor 类，并重写以上三个方法，我们可以进行监控或者输出日志，更方便的了解线程池的状态。

值得一提的是，afterExecute()方法的入参类型是（Runnable r, Throwable t），也就是说，如果线程运行中抛出异常，我们也可以通过该方法去捕获异常并作出相应的处理。

七、总结

线程池提供了四个构造方法，参数最全的构造方法参数按顺序有：核心线程数，最大线程数，非核心线程闲置存活时间，存活时间单位，任务队列，线程工厂，拒绝策略。

线程池共有五种状态，分别是：RUNNING，SHUTDOWN，STOP，TYDYING，TERMINATED，它们与工作线程数量一同记录在成员变量 ctl 中，其中高 3 位用于记录状态，低 29 位用于记录工作线程数，实际使用中通过位运算去获取。

线程池中任务线程以继承了 AQS 的 Worker 类的实例形式存在。当添加任务时，会有四种情况：核心线程不满，优先创建核心线程；核心线程满，优先添加任务队列；核心线程与队列都满，创建非核心线程；线程和队列都满，则执行拒绝策略。

其中，拒绝策略分为四类，默认的拒绝策略 AbortPolicy；调用者运行策略 CallerRunsPolicy；弃老策略 DiscardOldestPolicy；丢弃策略 DiscardPolicy。

线程池的中断有两个方法：shutdown()与 shutdownNow()，两者都会让线程池不再接受新任务，但是 shutdown()会等待当前与任务队列中的任务执行完毕，而 shutdownNow()会直接中断当前任务，忽略并删除任务队列中的任务。

线程池提供了beforeExecute()，afterExecute()，terminated()三个钩子函数，其中，afterExecute()的入参含有抛出的异常，因此可以借由该方法处理线程池中线程抛出的异常。

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