Java - "JUC线程池" ThreadPoolExecutor原理解析
ThreadPoolExecutor简介
ThreadPoolExecutor是线程池类。对于线程池，可以通俗的将它理解为"存放一定数量线程的一个线程集合。线程池允许若个线程同时允许，允许同时运行的线程数量就是线程池的容量；当添加的到线程池中的线程超过它的容量时，会有一部分线程阻塞等待。线程池会通过相应的调度策略和拒绝策略，对添加到线程池中的线程进行管理。"
ThreadPoolExecutor数据结构
ThreadPoolExecutor的数据结构如下图所示：
各个数据在ThreadPoolExecutor.java中的定义如下：
// 阻塞队列。 private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 互斥锁 private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock(); // 线程集合。一个Worker对应一个线程。 private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); // “终止条件”，与“mainLock”绑定。 private final Condition termination = mainLock.newCondition(); // 线程池中线程数量曾经达到过的最大值。 private int largestPoolSize; // 已完成任务数量 private long completedTaskCount; // ThreadFactory对象，用于创建线程。 private volatile ThreadFactory threadFactory; // 拒绝策略的处理句柄。 private volatile RejectedExecutionHandler handler; // 保持线程存活时间。 private volatile long keepAliveTime; private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut; // 核心池大小 private volatile int corePoolSize; // 最大池大小 private volatile int maximumPoolSize;
1. workers
workers是HashSet<Work>类型，即它是一个Worker集合。而一个Worker对应一个线程，也就是说线程池通过workers包含了"一个线程集合"。当Worker对应的线程池启动时，它会执行线程池中的任务；当执行完一个任务后，它会从线程池的阻塞队列中取出一个阻塞的任务来继续运行。
wokers的作用是，线程池通过它实现了"允许多个线程同时运行"。
2. workQueue
workQueue是BlockingQueue类型，即它是一个阻塞队列。当线程池中的线程数超过它的容量的时候，线程会进入阻塞队列进行阻塞等待。
通过workQueue，线程池实现了阻塞功能。
3. mainLock
mainLock是互斥锁，通过mainLock实现了对线程池的互斥访问。
4. corePoolSize和maximumPoolSize
corePoolSize是"核心池大小"，maximumPoolSize是"最大池大小"。它们的作用是调整"线程池中实际运行的线程的数量"。
例如，当新任务提交给线程池时(通过execute方法)。
-- 如果此时，线程池中运行的线程数量< corePoolSize，则创建新线程来处理请求。
-- 如果此时，线程池中运行的线程数量> corePoolSize，但是却< maximumPoolSize；则仅当阻塞队列满时才创建新线程。
如果设置的 corePoolSize 和 maximumPoolSize 相同，则创建了固定大小的线程池。如果将 maximumPoolSize 设置为基本的无界值（如 Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。在大多数情况下，核心池大小和最大池大小的值是在创建线程池设置的；但是，也可以使用 setCorePoolSize(int) 和 setMaximumPoolSize(int) 进行动态更改。
5. poolSize
poolSize是当前线程池的实际大小，即线程池中任务的数量。
6. allowCoreThreadTimeOut和keepAliveTime
allowCoreThreadTimeOut表示是否允许"线程在空闲状态时，仍然能够存活"；而keepAliveTime是当线程池处于空闲状态的时候，超过keepAliveTime时间之后，空闲的线程会被终止。
7. threadFactory
threadFactory是ThreadFactory对象。它是一个线程工厂类，"线程池通过ThreadFactory创建线程"。
8. handler
handler是RejectedExecutionHandler类型。它是"线程池拒绝策略"的句柄，也就是说"当某任务添加到线程池中，而线程池拒绝该任务时，线程池会通过handler进行相应的处理"。
综上所说，线程池通过workers来管理"线程集合"，每个线程在启动后，会执行线程池中的任务；当一个任务执行完后，它会从线程池的阻塞队列中取出任务来继续运行。阻塞队列是管理线程池任务的队列，当添加到线程池中的任务超过线程池的容量时，该任务就会进入阻塞队列进行等待。
线程池调度
我们通过下面的图看看下面线程池中任务的调度策略，加深对线程池的理解。
图-01:
图-02:
说明：
在"图-01"中，线程池中有N个任务。"任务1", "任务2", "任务3"这3个任务在执行，而"任务3"到"任务N"在阻塞队列中等待。正在执行的任务，在workers集合中，workers集合包含3个Worker，每一个Worker对应一个Thread线程，Thread线程每次处理一个任务。
当workers集合中处理完某一个任务之后，会从阻塞队列中取出一个任务来继续执行，如图-02所示。图-02表示"任务1"处理完毕之后，线程池将"任务4"从阻塞队列中取出，放到workers中进行处理。
Java多线程系列--“JUC线程池”03之 线程池原理(二)
线程池示例
在分析线程池之前，先看一个简单的线程池示例。
1 import java.util.concurrent.Executors;
2 import java.util.concurrent.ExecutorService;
3
4 public class ThreadPoolDemo1 {
5
6 public static void main(String[] args) {
7 // 创建一个可重用固定线程数的线程池
8 ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
9 // 创建实现了Runnable接口对象，Thread对象当然也实现了Runnable接口
10 Thread ta = new MyThread();
11 Thread tb = new MyThread();
12 Thread tc = new MyThread();
13 Thread td = new MyThread();
14 Thread te = new MyThread();
15 // 将线程放入池中进行执行
16 pool.execute(ta);
17 pool.execute(tb);
18 pool.execute(tc);
19 pool.execute(td);
20 pool.execute(te);
21 // 关闭线程池
22 pool.shutdown();
23 }
24 }
25
26 class MyThread extends Thread {
27
28 @Override
29 public void run() {
30 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " is running.");
31 }
32 }
运行结果：
pool-1-thread-1 is running. pool-1-thread-2 is running. pool-1-thread-1 is running. pool-1-thread-2 is running. pool-1-thread-1 is running.
示例中，包括了线程池的创建，将任务添加到线程池中，关闭线程池这3个主要的步骤。稍后，我们会从这3个方面来分析ThreadPoolExecutor。
线程池源码分析
下面以newFixedThreadPool()介绍线程池的创建过程。
1. newFixedThreadPool()
newFixedThreadPool()在Executors.java中定义，源码如下：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
说明：newFixedThreadPool(int nThreads)的作用是创建一个线程池，线程池的容量是nThreads。
newFixedThreadPool()在调用ThreadPoolExecutor()时，会传递一个LinkedBlockingQueue()对象，而LinkedBlockingQueue是单向链表实现的阻塞队列。在线程池中，就是通过该阻塞队列来实现"当线程池中任务数量超过允许的任务数量时，部分任务会阻塞等待"。
关于LinkedBlockingQueue的实现细节，读者可以参考"Java多线程系列--“JUC集合”08之 LinkedBlockingQueue"。
2. ThreadPoolExecutor()
ThreadPoolExecutor()在ThreadPoolExecutor.java中定义，源码如下：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
说明：该函数实际上是调用ThreadPoolExecutor的另外一个构造函数。该函数的源码如下：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
// 核心池大小
this.corePoolSize = corePoolSize;
// 最大池大小
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
// 线程池的等待队列
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
// 线程工厂对象
this.threadFactory = threadFactory;
// 拒绝策略的句柄
this.handler = handler;
}
说明：在ThreadPoolExecutor()的构造函数中，进行的是初始化工作。
corePoolSize, maximumPoolSize, unit, keepAliveTime和workQueue这些变量的值是已知的，它们都是通过newFixedThreadPool()传递而来。下面看看threadFactory和handler对象。
2.1 ThreadFactory
线程池中的ThreadFactory是一个线程工厂，线程池创建线程都是通过线程工厂对象(threadFactory)来完成的。
上面所说的threadFactory对象，是通过 Executors.defaultThreadFactory()返回的。Executors.java中的defaultThreadFactory()源码如下：
public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
return new DefaultThreadFactory();
}
defaultThreadFactory()返回DefaultThreadFactory对象。Executors.java中的DefaultThreadFactory()源码如下：
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}
// 提供创建线程的API。
public Thread newThread(Runnable r) {
// 线程对应的任务是Runnable对象r
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
// 设为“非守护线程”
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
// 将优先级设为“Thread.NORM_PRIORITY”
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}
说明：ThreadFactory的作用就是提供创建线程的功能的线程工厂。
它是通过newThread()提供创建线程功能的，下面简单说说newThread()。newThread()创建的线程对应的任务是Runnable对象，它创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是Thread.NORM_PRIORITY”。
2.2 RejectedExecutionHandler
handler是ThreadPoolExecutor中拒绝策略的处理句柄。所谓拒绝策略，是指将任务添加到线程池中时，线程池拒绝该任务所采取的相应策略。
线程池默认会采用的是defaultHandler策略，即AbortPolicy策略。在AbortPolicy策略中，线程池拒绝任务时会抛出异常！
defaultHandler的定义如下：
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
AbortPolicy的源码如下：
public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public AbortPolicy() { }
// 抛出异常
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
}
1. execute()
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，"线程池处于允许状态"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。
2. addWorker()
addWorker()的源码如下：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 更新"线程池状态和计数"标记，即更新ctl。
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. submit()
补充说明一点，submit()实际上也是通过调用execute()实现的，源码如下：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
shutdown()的源码如下：
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
// 检查终止线程池的“线程”是否有权限。
checkShutdownAccess();
// 设置线程池的状态为关闭状态。
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断线程池中空闲的线程。
interruptIdleWorkers();
// 钩子函数，在ThreadPoolExecutor中没有任何动作。
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
// 尝试终止线程池
tryTerminate();
}
说明：shutdown()的作用是关闭线程池。
