Java多线程系列 JUC线程池04 线程池原理解析(三)
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Executor执行Runnable任务
1. execute(Runnable command)
execute()定义在ThreadPoolExecutor.java中，源码如下：
public void execute(Runnable command) { // 如果任务为null，则抛出异常。 if (command == null) throw new NullPointerException(); // 获取ctl对应的int值。该int值保存了"线程池中任务的数量"和"线程池状态"信息 int c = ctl.get(); // 当线程池中的任务数量 < "核心池大小"时，即线程池中少于corePoolSize个任务。 // 则通过addWorker(command, true)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } // 当线程池中的任务数量 >= "核心池大小"时， // 而且，"线程池处于运行状态"时，则尝试将任务添加到阻塞队列中。 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // 再次确认“线程池状态”，若线程池异常终止了，则删除任务；然后通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。 int recheck = ctl.get(); if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); // 否则，如果"线程池中任务数量"为0，则通过addWorker(null, false)尝试新建一个线程，新建线程对应的任务为null。 else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } // 通过addWorker(command, false)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。 // 如果addWorker(command, false)执行失败，则通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。 else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }
说明：execute()的作用是将任务添加到线程池中执行。它会分为3种情况进行处理：
情况1 -- 如果"线程池中任务数量" < "核心池大小"时，即线程池中少于corePoolSize个任务；此时就新建一个线程，并将该任务添加到线程中进行执行。
情况2 -- 如果"线程池中任务数量" >= "核心池大小"，并且"线程池是允许状态"；此时，则将任务添加到阻塞队列中阻塞等待。在该情况下，会再次确认"线程池的状态"，如果"第2次读到的线程池状态"和"第1次读到的线程池状态"不同，则从阻塞队列中删除该任务。
情况3 -- 非以上两种情况。在这种情况下，尝试新建一个线程，并将该任务添加到线程中进行执行。如果执行失败，则通过reject()拒绝该任务。
在多线程环境下，线程池的状态时刻在变化，而ctl.get()是非原子操作，很有可能刚获取了线程池状态后线程池状态就改变了。判断是否将command加入workque是线程池之前的状态。倘若没有double check，万一线程池处于非running状态（在多线程环境下很有可能发生），那么command永远不会执行。
2. addWorker()
addWorker()的源码如下：
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: // 更新"线程池状态和计数"标记，即更新ctl。core为true的话，则以corePoolSize为界限 for (;;) { // 获取ctl对应的int值。该int值保存了"线程池中任务的数量"和"线程池状态"信息 int c = ctl.get(); // 获取线程池状态。 int rs = runStateOf(c); // 有效性检查 if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { // 获取线程池中任务的数量。 int wc = workerCountOf(c); // 如果"线程池中任务的数量"超过限制，则返回false。 if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; // 通过CAS函数将c的值+1。操作失败的话，则退出循环。 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl // 检查"线程池状态"，如果与之前的状态不同，则从retry重新开始。 if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } } boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; // 添加任务到线程池，并启动任务所在的线程。 try { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; // 新建Worker，并且指定firstTask为Worker的第一个任务。 w = new Worker(firstTask); // 获取Worker对应的线程。 final Thread t = w.thread; if (t != null) { // 获取锁 mainLock.lock(); try { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // 再次确认"线程池状态" if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); // 将Worker对象(w)添加到"线程池的Worker集合(workers)"中 workers.add(w); // 更新largestPoolSize int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { // 释放锁 mainLock.unlock(); } // 如果"成功将任务添加到线程池"中，则启动任务所在的线程。 if (workerAdded) { t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } // 返回任务是否启动。 return workerStarted; }
说明：
addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 的作用是将任务(firstTask)添加到线程池中，并启动该任务。
core为true的话，则以corePoolSize为界限，若"线程池中已有任务数量>=corePoolSize"，则返回false；core为false的话，则以maximumPoolSize为界限，若"线程池中已有任务数量>=maximumPoolSize"，则返回false。
addWorker()会先通过for循环不断尝试更新ctl状态，ctl记录了"线程池中任务数量和线程池状态"。
更新成功之后，再通过try模块来将任务添加到线程池中，并启动任务所在的线程。
从addWorker()中，我们能清晰的发现：线程池在添加任务时，会创建任务对应的Worker对象；而一个Workder对象包含一个Thread对象。(01) 通过将Worker对象添加到"线程的workers集合"中，从而实现将任务添加到线程池中。 (02) 通过启动Worker对应的Thread线程，则执行该任务。
3. Worker类
Worker为ThreadPoolExecutor的内部类，
（1）继承了AQS类，可以方便的实现工作线程的中止操作；
（2）实现了Runnable接口，可以将自身作为一个任务在工作线程中执行；
（3）当前提交的任务firstTask作为参数传入Worker的构造方法；
Worker类属性和构造方法源码如下：
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{ final Thread thread; Runnable firstTask; volatile long completedTasks; Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } }
说明 ：thread是Worker的工作线程，上面的分析我们也发现了在addWorker中会获取worker里面的thread然后start，也就是这个线程的执行，而Worker实现了Runnable接口，所以在构造thread的时候Worker将自己传递给了构造函数，thread.start执行的其实就是Worker的run方法。
3. Worker类的runworker方法
源码如下
public void run() { runWorker(this); } final void runWorker(Worker w) { // 获取当前线程 Thread wt = Thread.currentThread(); // 获取w的firstTask Runnable task = w.firstTask; // 设置w的firstTask为null w.firstTask = null; // 释放锁（设置AQS的state为0，表示允许中断） w.unlock();
// allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 任务不为null或者阻塞队列还存在任务 // 获取锁，保证线程不被其他线程中断（除非线程池被中断） 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
//检查线程池状态，如果线程池处于中断状态，则中断线程
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || // 线程池的运行状态至少应该高于STOP (Thread.interrupted() && // 线程被中断 runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && // 再次检查，线程池的运行状态至少应该高于STOP !wt.isInterrupted()) // wt线程（当前线程）没有被中断 wt.interrupt(); // 中断wt线程（当前线程） try { // 在执行之前调用钩子函数 beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { // 运行给定的任务 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 { // 执行完后调用钩子函数 afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; // 增加给worker完成的任务数量 w.completedTasks++; // 释放锁 w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { // 处理完成后，调用钩子函数 processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }
说明 此函数中会实际执行给定任务（即调用用户重写的run方法），并且当给定任务完成后，会继续从阻塞队列中取任务，直到阻塞队列为空（即任务全部完成）。在执行给定任务时，会调用钩子函数，利用钩子函数可以完成用户自定义的一些逻辑。在runWorker中会调用到getTask函数从阻塞队列中获取等待的任务(如果队列中没有任务，getTask方法会被阻塞并挂起，不会占用cpu资源)和processWorkerExit钩子函数。
runWorker方法是线程池的核心：
1. 线程启动之后，通过unlock方法释放锁，设置AQS的state为0，表示运行中断；
2. Worker执行firstTask或从workQueue中获取任务：
2.1. 进行加锁操作，保证thread不被其他线程中断（除非线程池被中断）
2.2. 检查线程池状态，倘若线程池处于中断状态，当前线程将中断。
2.3. 执行beforeExecute
2.4 执行任务的run方法
2.5 执行afterExecute方法
2.6 解锁操作
4. getTask方法
getTask方法从阻塞队列中获取等待的任务
源码如下：
private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? for (;;) { // 无限循环，确保操作成功 // 获取线程池控制状态 int c = ctl.get(); // 运行的状态 int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { // 大于等于SHUTDOWN（表示调用了shutDown）并且（大于等于STOP（调用了shutDownNow）或者worker阻塞队列为空） // 减少worker的数量 decrementWorkerCount(); // 返回null，不执行任务 return null; } // 获取worker数量 int wc = workerCountOf(c); // Are workers subject to culling? boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // 是否允许coreThread超时或者workerCount大于核心大小 if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) // worker数量大于maximumPoolSize && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { // workerCount大于1或者worker阻塞队列为空（在阻塞队列不为空时，需要保证至少有一个wc） if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 比较并减少workerCount // 返回null，不执行任务，该worker会退出 return null; // 跳过剩余部分，继续循环 continue; } try { Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : // 等待指定时间 workQueue.take(); // 一直等待，直到有元素 if (r != null) return r; // 等待指定时间后，没有获取元素，则超时 timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { // 抛出了被中断异常，重试，没有超时 timedOut = false; } } }
说明：此函数用于从workerQueue阻塞队列中获取Runnable对象，由于是阻塞队列，所以支持有限时间等待（poll）和无限时间等待（take）。在该函数中还会响应shutDown和、shutDownNow函数的操作，若检测到线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，则会返回null，而不再返回阻塞队列中的Runnalbe对象。
注意这里一段代码是keepAliveTime起作用的关键：
// Are workers subject to culling?
// 是否允许coreThread超时或者workerCount大于核心大小
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
.....
Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
allowCoreThreadTimeOut为false，线程即使空闲也不会被销毁；倘若为ture，在keepAliveTime内仍空闲则会被销毁。
如果线程允许空闲等待而不被销毁，workQueue.take()任务：如果阻塞队列为空，当前线程会被挂起等待；当队列中有任务加入时，线程被唤醒，take方法返回任务，并执行；
如果线程不允许无休止空闲, 则 workQueue.poll()任务：如果在keepAliveTime时间内，阻塞队列还是没有任务，则返回null；
5. processWorkerExit
processWorkerExit函数是在worker退出时调用到的钩子函数，而引起worker退出的主要因素如下
(1) 阻塞队列已经为空，即没有任务可以运行了。
(2) 调用了shutDown或shutDownNow函数
processWorkerExit源码如下
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) { if (completedAbruptly) // 如果被中断，则需要减少workCount // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted decrementWorkerCount(); // 获取可重入锁 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; // 获取锁 mainLock.lock(); try { // 将worker完成的任务添加到总的完成任务中 completedTaskCount += w.completedTasks; // 从workers集合中移除该worker workers.remove(w); } finally { // 释放锁 mainLock.unlock(); } // 尝试终止 tryTerminate(); // 获取线程池控制状态 int c = ctl.get(); if (runStateLessThan(c, STOP)) { // 小于STOP的运行状态 if (!completedAbruptly) { int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize; if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()) // 允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空 min = 1; if (workerCountOf(c) >= min) // workerCount大于等于min // 直接返回 return; // replacement not needed } // 添加worker addWorker(null, false); } }
说明：此函数会根据是否中断了空闲线程来确定是否减少workerCount的值，并且将worker从workers集合中移除并且会尝试终止线程池。
这短短的一生，我们最终都会失去。你不妨大胆一些，爱一个人，攀一座山，追一个梦。
